close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

601.Проектирование элементов микросхем лаб. практикум [для студентов напр

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки Российской Федерации
Сибирский федеральный университет
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ
МИКРОСХЕМ
Лабораторный практикум
Электронное издание
Красноярск
СФУ
2012
1
УДК 621.396.6(07)
ББК 32.844я73
П791
Составители: О.В. Семенова, Н. Б. Фенькова
П791 Проектирование элементов микросхем: лаб. практикум [Электронный ресурс / сост.
О.В. Семенова, Н. Б. Фенькова. – Электрон. дан. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т,
2012. – Систем. требования: PC не ниже класса Pentium I; 128 Mb RAM; Windows
98/XP/7; Adobe Reader V8.0 и выше. – Загл. с экрана.
В лабораторном практикуме изложены основные этапы проектирования интегральных микросхем.
Приведены классификация интегральных микросхем (ИМС), общие принципы проектирования ИМС
различного назначения. Большое внимание уделено расчету тонкопленочных элементов, выбору их
конструкции, разработке топологии и оформлению конструкторской документации по изготовлению
гибридно-интегральных микросхем. Представленный материал может быть использован для проведения
лабораторных и практических занятий, а также в самостоятельной работе студентов по расчетнографическому заданию и курсовому проектированию для дисциплин: «Проектирование элементов
микросхем», «Проектирование микросхем и микропроцессоров», «Технология микросхем и
микропроцессоров», «Микроэлектромеханика».
Предназначено: по кодификатору ГОС ВПО-2 для направлений подготовки бакалавров и
специалистов 210200 «Проектирование и технология электронных средств» и 210100 «Электроника и
микроэлектроника; по кодификатору ФГОС ВПО-3 для направлений подготовки бакалавров 210100 –
«Электроника и наноэлектроника» и 211000 – «Конструирование и технология электронных средств».
Рекомендуется для всех специальностей и направлений укрупненных групп 210000 «Электронная техника,
радиотехника и связь» и 200000 «Приборостроение и оптотехника».
УДК 621.396.6(07)
ББК 32.844я73
© Сибирский
федеральный
университет, 2012
Учебное издание
Подготовлено к публикации редакционно-издательским
отделом БИК СФУ
Подписано в свет 07.09.2012 г. Заказ 8795.
Тиражируется на машиночитаемых носителях.
Редакционно-издательский отдел
Библиотечно-издательского комплекса
Сибирского федерального университета
660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79
Тел/факс (391)206-21-49. E-mail rio@sfu-kras.ru
http://rio.sfu-kras.ru
2
1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Процесс проектирования интегральных микросхем (ИМС) существенно
отличается от разработки устройств с использованием дискретных приборов.
Понятно, что в обоих случаях разработчик должен располагать сведениями о
параметрах отдельных элементов цепи, чтобы на их основе создать такую
систему межсоединений, в которой реализуются нужные характеристики.
Однако при проектировании ИМС требуется определить и технологические
параметры (геометрические размеры, температуру процессов диффузии и т.
д.) для тех элементов, которые создаются одновременно. Необходимо также
разработать топологию проводников, размещаемых на кристалле. Наконец,
следует принимать во внимание, что ряд дискретных элементов не удается
создать в интегральном исполнении. Вместо диода часто используют
транзистор с короткозамкнутым переходом база-эмиттер, вместо
конденсатора емкостью несколько пикофарад – переход, смещенный в
обратном направлении, и т. д.
Основные особенности процесса проектирования ИМС следующие:
• до начала производственной стадии ИМС моделируют с помощью
ПЭВМ. На этой стадии работы убеждаются в том, что требуемые
характеристики действительно могут быть достигнуты.
• всюду, где только возможно, применяют активные элементы, которые
оказываются более простыми и, как следствие, более дешевыми и менее
критичными. Чтобы получить диод, используют один из переходов
биполярного транзистора; таким образом, этот элемент может считаться
активным. Избегают использовать такие пассивные элементы, как
индуктивная катушка.
• при создании ИМС применяют не емкостные, а непосредственные
связи. Это имеет большое значение для работы низкочастотных усилителей.
• чтобы обеспечить хорошую тепловую стабильность характеристик
ИМС, используют дифференциальные пары. При проектировании ИМС
добиваются малого потребления мощности и низких напряжений питания.
Важным параметром является напряжение пробоя.
При разработке ИМС следует учитывать некоторые наиболее
существенные принципы, а также некоторые аспекты компьютерного
проектирования ИМС.
В первые годы создание ИМС включало следующие этапы:
1) приближенный расчет рабочих характеристик; 2) выполнение макетапрототипа на дискретных элементах; 3) процесс производства, в том числе
ручное
изготовление
фотошаблонов,
используемых
на
каждой
технологической стадии, при жестком контроле условий выполнения каждой
операции. С конца 60-х годов началось широкое применение ПЭВМ, что
3
позволило разработать гораздо более сложные интегральные схемы и
соответственно уменьшить стадию проектирования ИМС.
Используя ПЭВМ, которая проводит вычисления с большой скоростью
и точностью и имеет значительную емкость памяти, разработчик может
систематически учитывать эффекты второго порядка – паразитные связи,
токи утечки, тепловые взаимодействия между соседними элементами,
напряжения пробоя, определяемые размерами приборов, токи, связанные с
формой и относительным положением элементов, и ряд других значимых
эффектов.
Основное преимущество компьютерного проектирования ИМС состоит
в том, что отпадает необходимость создавать макет-прототип и опытные
последующие образцы, так как с помощью ПЭВМ можно быстро и надежно
провести имитационное моделирование ИМС. Это сокращает сроки и
стоимость разработки при высокой надежности результатов. Стало
возможным автоматизированное проектирование заказных ИМС в
соответствии с техническими требованиями заказчика.
Следует выделить существенные аспекты применения ПЭВМ в
микроэлектронике.
а) Численный анализ полупроводниковых материалов и приборов.
Разработаны программы, которые позволяют определять распределение
плотности носителей в различных областях приборов, а также
пространственное распределение полей и потенциалов при различных
заданных объемах и форме областей для любых напряжений смещения.
б) Моделирование технологических процессов. Имеются программы,
имитирующие всевозможные явления; результатом работы таких программ
служат технологические параметры (температура, длительность отдельных
стадий, концентрация, ускоряющие потенциалы и т. д.) процессов
изготовления ИМС, которые влияют на свойства полупроводника. Расчеты
могут выполняться и в обратной последовательности: задавая
технологические параметры, можно получить физические характеристики
прибора.
в) Моделирование ИМС. Созданы программы для анализа активных
цепей, образованных из пассивных элементов, а также источников тока и
напряжения; анализ основан на решении системы уравнений, связывающих
между собой напряжения и токи в различных узлах ИМС.
Перечисленные операции позволяют выбрать структуру ИМС,
всесторонне промоделировать ее работу, а также найти технологические
параметры, необходимые для организации процесса изготовления. На
заключительной стадии автоматизированного проектирования используют
программы, управляемые банком данных или библиотекой элементов,
оптимизированных в рамках используемой технологии. Программным
способом создаются рисунки фотошаблонов для каждой фазы
4
технологического
процесса,
с
высокой
точностью
выбираются
соответствующие экспозиции.
На последнем этапе изготовления ИМС нужно проверить правильность
ее функционирования. Так как схема контроля для каждого типа ИМС
должна быть индивидуальной, то здесь весьма ценным оказывается
использование ПЭВМ. Действительно, можно создать некоторую систему
соединительных проводников и подключить к ней ПЭВМ. Для ИМС нового
типа требуется лишь сменить программу.
По конструктивно-технологическому исполнению микросхемы делятся
на три основные группы: полупроводниковые, пленочные и гибриднопленочные (рис. 1.1).
Полупроводниковые ИМС. Полупроводниковые микросхемы имеют в
своей основе монокристалл полупроводникового материала (обычно
кремния), в поверхностном слое которого методами литографии и
избирательного легирования создаются транзисторы, диоды, резисторы и
(иногда) конденсаторы, а соединения между ними формируются по
поверхности кристалла с помощью тонкоплёночной технологии.
Полупроводниковые
микросхемы
могут
быть
однокристальными
(монолитными) и многокристальными (микросборками). Однокристальная
микросхема может иметь индивидуальный герметизированный корпус с
внешними выводами для монтажа на коммутационной (печатной) плате, или
быть бескорпусной и входить в состав микросборки.
Рис. 1.1. Классификация ИМС
Многокристальная микросхема (микросборка) представляет собой
совокупность бескорпусных микросхем, смонтированных на общей
коммутационной плате. В качестве компонентов в микросборке могут
присутствовать бескорпусные согласующие резисторы и развязывающие
конденсаторы. Вследствие высокой насыщенности связей коммутационная
плата выполняется многоуровневой и, таким образом, является миниатюрным
аналогом многослойной печатной платы. При изготовлении коммутационной
платы может быть использована как тонкоплёночная, так и толстоплёночная
технологии.
Полупроводниковые ИМС формируются на кремниевой подложке по
планарной технологии (изготовление элементов ИМС в одной плоскости) и
5
имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с устройствами, в
которых используются дискретные элементы. Перечислим наиболее
очевидные из них.
• Производство ИМС рентабельно, так как здесь в едином
технологическом цикле изготовляется большое число идентичных изделий.
• Все кристаллы, полученные из одной пластины, имеют одинаковые
характеристики, чего невозможно добиться, применяя дискретные элементы.
• Изделия, в которых используются ИМС, отличаются высокой
надежностью. Это связано с тем, что все внутренние межсоединения
образуются в процессе изготовления ИМС, так что отпадает необходимость
пайки.
• Малые габаритные размеры ИМС обусловили их широкое
применение, особенно в таких областях, как вычислительная техника и
системы связи, где требуются малая масса изделий и высокое
быстродействие.
• Хорошие эксплуатационные характеристики и низкая стоимость
позволяют использовать весьма сложные ИМС, что повышает качество
работы устройств, в которых они используются.
Полупроводниковым интегральным схемам присущи и ограничения.
• Характеристики ИМС в области высоких частот ухудшаются из-за
наличия паразитных емкостей.
• Пассивные элементы имеют большие значения температурных
коэффициентов.
• Сопротивления резисторов лежат в пределах 10–50 кОм, емкости
конденсаторов менее 200 пФ.
• В интегральном исполнении крайне трудно создавать катушки
индуктивности.
Пленочные ИМС. В этих изделиях отдельные элементы и
межэлементные соединения выполняются на поверхности диэлектрика в
результате использования технологии нанесения пленок из соответствующих
материалов. В зависимости от вида наносимой пленки принято различать
тонкопленочные и толстопленочные ИМС. В первом случае толщина пленок
не превышает 1 мкм. Пленки наносят путем вакуумного испарения,
химического осаждения, катодного распыления и т. д.
Удается создать
резисторы сопротивлением от 10 Ом до 1 МОм, конденсаторы емкостью от
0,1 пФ до 20 нФ, катушки индуктивности с номиналом до 2 мкГн, а также
тонкопленочные транзисторы, аналогичные МОП-приборам, в которых в
качестве полупроводника используется сернистый кадмий (CdS). Толщина
пленки толстопленочных ИМС колеблется от 15 до 45 мкм. Такие пленки
получают с помощью шелкотрафаретной технологии, нанося нужный
рисунок специальной краской. Удается получить резисторы сопротивлением
от 10 Ом до 1 МОм, конденсаторы емкостью до 8 нФ, катушки
индуктивностью до 4,5 мкГн, а также различные соединительные
6
проводники. Активных элементов с помощью данной технологии не создают
из-за не удовлетворительных их электрофизических параметров. Для
получения пассивных элементов ИМС с повышенной точностью, т. е. с
отклонением от номинала на 0,1–0,5 %, разработаны способы подгонки
номиналов элементов.
Гибридные ИМС. Данный класс ИМС выполняют на изолирующей
подложке, например из оксида алюминия (Аl2О3). На поверхности подложки
размещены пассивные элементы – резисторы, проводники, индуктивные
катушки, конденсаторы и т.д. Дискретные активные элементы смонтированы
на поверхности с помощью разнообразных технологических приемов.
Указанная особенность данного класса ИМС обусловила его название.
Из приведенного рис. 1.1 следует, что существует две разновидности
ИМС тонкопленочные и толстопленочные схемы. Пассивные элементы
тонкопленочных гибридных ИМС выполняют путем металлизации,
проводимой как химическим, так и вакуумным способами. Толщина
наносимых слоев колеблется от 0,02 до 10 мкм, что и объясняет
происхождение термина «тонкопленочная гибридная ИМС». Возможная
область применения – производство специализированных ИМС, так как эта
технология является дорогой, требует особого оборудования и высокой
квалификации производственного персонала.
Толщина наносимых слоев толстопленочных гибридных ИМС
существенно выше. Здесь пассивные элементы выполняют способом
шелкографии или с помощью фотолитографической техники. Резисторы,
индуктивные катушки, конденсаторы и другие элементы получают, проводя
шелкотрафаретную печать соответствующей краской. Затем изделия сушат
при 120 °С, чтобы удалить органические растворители, придающие краске
нужную вязкость, нагревают до температуры около 850 °С, осуществляя тем
самым вжигание красочного слоя. Толщина слоя жидкой краски примерно 25
мкм, после термообработки она уменьшается примерно до 15 мкм.
Описываемые ИМС применяют в массовых изделиях, так как они являются
многофункциональными и дешевле тонкопленочных, а тем более
полупроводниковых ИМС.
Важно отметить, что тонкопленочным и толстопленочным ИМС
присуще полезное свойство. Их рабочие параметры можно подгонять,
используя лазерный луч, струю абразива и т. д. В отличии от
полупроводниковых гибридные ИМС могут одновременно усиливать сигнал,
как по напряжению, так и по мощности; их высокие экономические
показатели объясняются малым числом входящих в них элементов.
Проектирование ГИС имеет существенные отличия от полупроводниковых
ИМС. В последующих разделах данного пособия рассматриваются основные
этапы проектирования ГИС.
7
2. РАЗРАБОТКА И ОФОРМЛЕНИЕ КОНСТРУКТОРСКОЙ
ДОКУМЕНТАЦИИ ПО ИЗГОТОВЛЕНИЮ
ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ГИБРИДНЫХ МИКРОСХЕМ (ГИС)
Исходными данными для проектирования ГИС, или техническим
заданием (ТЗ), являются:
• электрическая принципиальная схема устройства;
• перечень элементов к электрической схеме с указанием параметров
элементов;
•
данные об электрических режимах схемы (токи в ветвях,
напряжения в узлах схемы);
• параметры климатических, механических и других воздействий;
• серийность выпуска;
• требования к размерам ГИС;
• конструктивно-технологический вариант ГИС;
• тип корпуса и требуемая цоколевка.
Три последних требования могут отсутствовать. Первым разделом
проекта является анализ ТЗ (прил. А). Здесь в первую очередь выбирается и
обосновывается конструктивно-технологическое исполнение ГИС. На его
основе определяются тип подложки, а также укрупнено порядок и
содержание операций технологического процесса изготовления элементов
ИМС.
В этом же разделе рассматриваются требуемые характеристики
элементов и их электрические режимы. В результате может быть принято
решение об исключении некоторых элементов из ГИС и выполнения их в
виде внешних подключений. Отдельные элементы могут быть заменены
другими, которые легче реализуются в ГИС, если это не скажется на
электрических параметрах. Здесь же, руководствуясь заданными параметрами и электрическими режимами элементов, выбирают для каждого
конструктивный вариант исполнения.
Необходимую для проектирования информацию, отсутствующую в ТЗ,
получают при его анализе, что согласовывается с заказчиком
(преподавателем).
В следующем разделе описывается расчет и проектирование элементов
ГИС. Здесь выполняется выбор и обоснование материала, из которого будут
изготовлены элементы ГИС, рассчитываются их размеры в плане,
проводится проверочный расчет их электрических характеристик.
Последовательность проектирования описана в прил. А. Далее приводятся
расчеты проектирования остальных элементов ГИС.
На последующем этапе описывается разработка топологии ГИС и
приводятся компоновочные схемы, расположение элементов, приводятся
расчеты геометрии топологии (зазоров между отдельными фигурами
топологии, размеров проводников, площадок, размеров кристалла, тестовых
8
элементов, фигур совмещения и т.п.). Необходимо обосновать выполненную
трассировку (количество и вид пересечений, расположение контактов для
изолирующих смещений, порядок контактных площадок и т.д.). На этом же
этапе разрабатывается и оформляется конструкторская документация.
Конструкторская документация (КД) должна содержать всю
информацию, необходимую для изготовления ГИС. Основными являются
топологический чертеж (ТЧ) и сборочный чертеж (СБ) микросхемы. Они
выполняются в соответствии с ОСТ 11.0.000.028-73 "Микросхемы
интегральные. Правила выполнения конструкторской документации» и
общими положениями стандартов системы ЕСКД.
ТЧ должен отображать топологию ГИС. На первом листе ТЧ
приводится изображение разработанной топологии, содержащее фигуры во
всех слоях структуры (совмещенная топология), а на последующих
листах – изображения фигур каждого слоя. Таким образом, число листов ТЧ
на единицу больше количества проводимых операций фотолитографии.
Пример ТЧ приведен в прил. Б–В. Совмещенные и послойные изображения
выполняются в масштабе, кратном 100 (100:1, 200:1, 400:1 и т.п.), на поле
координатной сетки. Формат чертежа не менее А2. Шаг сетки обычно целое
число, равное от 1 до 10 мкм; в масштабе чертежа он должен быть
целократным одному миллиметру. Начало координат совмещается с левым
нижним углом, кристалла; ось Х направлена по горизонтали, ось У – по
вертикали. Линии сетки обычно не приводят, но наносят засечки через
50–100 шагов с указанием номера шага сетки, или текущего значения
координаты Х, У. Все вершины фигур изображения должны, находиться в
уздах сетки.
На совмещенной топологии приводятся, выполненные основной
сплошной линией, контуры фигур фотошаблонов всех слоев, кроме слоя
пассивации. Под элементами слоя металлизации фигуры изображают
пунктирной линией. Элементы слоя металлизации выделяют штриховкой под
углом 45°.
На совмещенной топологии приводятся позиционные обозначения
элементов ГИС и нумерация контактных площадок в соответствии с
электрической принципиальной схемой. Нумерация контактных площадок
для внешних подключений кроме того должна соответствовать нумерации
выводов корпуса (на виде со стороны кристалла отсчет ведется против
часовой стрелки). Если отдельные выводы корпуса не используются, их
номера также не присваиваются, контактным площадкам. Контрольные
площадки обозначаются номерами, превышающими количество выводов
корпуса. Позиционные обозначения тестовых элементов не должны совпадать
с обозначением элементов, входящих в принципиальную схему ГИС.
Указывают также наименования электродов транзисторов и диодов (К, Б, Э;
А, К) и фигуры совмещения.
9
На изображениях слоев (последующие листы) приводятся контуры окон
для соответствующей группы элементов ГИС. Изображение каждого слоя
сопровождают таблицей координат, в которой приводят координаты всех
вершин фигур данного слоя. Допускается выполнение таблиц на отдельных
листах формата А4. Для вершин используется сквозная нумерация.
Минимальный номер присваивается самой нижней левой вершине фигуры,
последующие – последовательно обходом по часовой стрелке. Перебор фигур
в пределах изображения слоя производится снизу вверх и слева направо.
Номер 1 присваивается самой нижней левой вершине фигуры на изображении
слоя (для большинства слоев она совпадает с началом координат).
Координаты вершин (X , У ) приводятся в микрометрах в масштабе кристалла.
На послойных изображающих, как и на совмещенной топологии,
указываются отдельные линии координатной сетки. Над изображением слоя
указывается его наименование.
Послойные изображения выполняются на листах формата не менее А2 в
том же масштабе, что и совмещенная топология. Для основной надписи
используется форма для последующих листов чертежа по ГОСТ 2. 104-68.
Нумерация последующих листов производится в порядке чередования
формирования слоев по технологическому процессу.
На первом листе ТЧ приводят совмещенную топологию ГИС с
таблицей слоев и технические требования.
В таблице характеристик слоев указывают условное обозначение и
наименования слоев, наименования, обозначения и ГОСТы (ТУ) материалов
слоев, с помощью которых они формируются, электрические характеристики
(удельные сопротивления) и методы формирования данных слоев. Слои
приводятся в порядке очередности их формирования.
Технические требования размещаются непосредственно над основной
надписью чертежа и включают следующие сведения:
1) о размерах для справок;
2) о предельных отклонениях размеров элементов и проводников;
3) о том, что все размеры на чертеже даны в мкм;
4) о содержании таблицы;
5) о шаге координатной сетки;
6) о смысле штриховки на последующих листах чертежа;
7) о нумерации контактных площадок и обозначении элементов и их
соответствии электрической схеме;
8) о фигурах совмещения;
9) о непоказанных слоях (пассивация) на совмещенной топологии;
10) о контролируемых параметрах (с допуском) тестовых элементов.
В основной надписи указывается наименование изделия, его
децимальная характеристика. В графе "материал" даются обозначения
используемых подложек или структур. Сборочный чертеж (СБ) выполняется
в соответствии с ОСТ 11.0.028-73, а также ГОСТ 2.109-73. На СБ приводится
10
столько видов, разрезов и сечений, сколько необходимо для полного
представления о расположении и взаимосвязи составных частей микросхемы.
На СБ проставляются размеры и предельные отклонения, которые должны
быть выполнены по данному чертежу. Указываются характеристики
соединения и способы его осуществления (сварка, пайка, склеивание и т.д.).
При этом все составные части нумеруются, номера проставляются на полках
линий-выносок в соответствии с номерами позиции, указанными в
спецификации.
Сборочный чертеж выполняется в масштабе не менее чем 10:1. При
этом на изображении кристалла приводятся только контактные площадки для
внешних подключений, может быть условно показана их нумерация.
Конкретное исполнение СБ определяется способом корпусированния
ГИС. СБ для ГИС, выполненной в металлостеклянном корпусе, приведен в
прил. Г. Для сборки спрессованных полимером ГИС используются выводные
рамки, унифицированные по ОСТ 11.730.900-77 «Микросхемы интегральные.
Рамки выводные. Конструкция: размеры и технические требования».
Способом корпусирования определяется и содержание приводимых на
СБ технических требований, в которых указываются; размеры для справок,
способы крепления кристалла и выполнения электрических соединений и
используемые при этом материалы, условно показанные обозначения и
нумерации, содержание маркировок на корпусе микросхемы и способы их
выполнения. Для ГИС, опрессованных полимером, кроме того, приводятся
данные по опрессовке и пресс-материалу, обрубке выводной рамки;
предельные неуказанные литейные уклоны, шероховатость поверхностей.
Для ГИС, выполненных в полых корпусах, указываются способы
осуществления герметизации и ее контроля. В основной надписи в графе
"наименование" указывают: "Микросхема" и ее обозначение в соответствии с
ОСТ. 11.073.915-80 «Микросхемы интегральные. Классификация и система
условных обозначений». Децимальная характеристика имеет вид
АБВГ 3.410. XXX или АБВГ 3.088.ХХХ.
На микросхему составляют спецификацию, куда вносят конструкторские документы и составные части ГИС. Спецификацию оформляют на
специальных бланках и в соответствии с требованиями ГОСТ 2.108-68 и ОСТ
4ГО.000.0058. Этот стандарт предусматривает чередование разделов
спецификации в последовательности: документация, комплексы, сборочные
единицы, детали, стандартные изделия, прочие изделия, материалы. В
пределах раздела элементы спецификации должны быть расположены в
алфавитном порядке первых букв децимальных характеристик. В разделе
«Стандартные изделия» перечисляются изделия, применяемые по ГОСТ, РСТ,
ОСТ, СТП в порядке понижения уровня стандарта. К "прочим изделиям"
относятся те, которые применяются по техническим условиям (ТУ),
каталогам, прейскурантам. В разделе «Материалы» указываются только те
материалы, необходимое количество которых может быть определено
11
конструктором. Об остальных материалах указания содержит текст
технических требовании. К этим материалам относятся клеи, лаки, припои
и т.д.
Пример спецификации на ГИС имеется в прил. А. Электрическая
принципиальная схема выполняется в соответствии с требованиями ГОСТ
2.702-75, ГОСТ 2.701-84, ГОСТ 2.709-72. Схема должна содержать также
нумерацию внешних выводов с поясняющей таблицей. Пример выполнения
электрической принципиальной схемы приведен в прил. А.
В целом при оформлении КД следует руководствоваться действующей
системой стандартов.
В отдельном разделе описывается законченная конструкция
микросхемы (тип корпуса, монтаж кристалла, используемые материалы
операции).
На последующем этапе разрабатывается и оформляется пооперационно
технологический процесс изготовления ГИС.
В заключении дается общая оценка разработанного изделия. Завершает
текстовую часть проекта список литературы. При ссылках на источники в
тексте пояснительной записки указываются его номер по списку, страница и
номера формул, таблиц, рисунков. При оформлении текстовой части проекта
необходимо соблюдать ряд требований, принятых для оформления текстовых
документов и графического материала.
На первой странице помещается оглавление, отражающее структуру
пояснительной записки. Все разделы записки должны иметь нумерацию, при
этом своя нумерация может быть внутри каждого раздела.
В тексте не допускаются никакие сокращения, кроме общепринятых
(например, т.к., т.д., т.п.). Часто повторяющиеся словосочетания могут быть
обозначены заглавными буквами, с которых начинаются слова. При первом
написании такого сочетания аббревиатура дается в скобках вслед за полным
написанием. То же относится к буквенным обозначениям физических
величин; в первый раз они должны быть пояснены. При записи
математических
выражений
соотношения,
заимствованные
из
опубликованных работ, должны быть снабжены ссылкой на литературный
источник.
12
3. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ГИБРИДНЫХ
МИКРОСХЕМ (ГИС)
3.1. Конструирование и расчет элементов ГИС
3.1.1. Конструирование и расчет пленочных резисторов
Гибридные микросхемы находят широкое применение в современной
РЭА. Этот класс микросхем обладает рядом достоинств, к числу которых в
первую очередь относится возможность использования самых разнообразных, активных элементов, что позволяет создавать схемы с широким диапазоном выполняемых функций. Номинальные значения пассивных элементов
гибридных микросхем могут изменяться в очень широких пределах, причем
воспроизведение номинала может быть достигнуто с высокой точностью.
Кроме того, пленочные резисторы и кондесаторы гибридных микросхем
характеризуются высокой температурной и временной стабильностью.
Пленочный резистор конструктивно состоит из резистивной пленки,
имеющей определенную конфигурацию, и контактных площадок. На рис. 3.1
показаны наиболее распространенные конфигурации таких резисторов:
прямоугольная (рис. 3.1, а), применяемая для реализация резисторов с малым
сопротивлением, типа меандр (рис. 3.1, б) и последовательное соединение
резистивных пленочных полосок (рис. 3.1, в), используемое для реализация
резисторов большого сопротивления. Во всех этих конфигурациях отсутствуют наклонные и кривые линии различных радиусов, поэтому
изготовление фотошаблонов (для масок) резистивных слоев гибридных
микросхем существенно упрощается.
При изготовлении резисторов с высокой мощностью рассеяния
используют расщепление конструкции. Метод расщепления на ряд
параллельных полосок позволяет уменьшить перегрев резистора и более
равномерно распределить тепловую энергию по плоскости подложки при
изменении только одного размера резистора – его ширины.
К пленочным резисторам предъявляются следующее основные
требования: стабильность во времени; малая занимаемая площадь на
подложке; низкий температурный коэффициент сопротивления; требуемая
мощность рассеяния; низкий уровень шумов; малые значения паразитных
параметров.
Конструирование пленочного резистора должно начинаться с выбора
материала резистивной пленки. В тонкопленочных гибридных микросхемах
используемые резистивные материалы можно разделить на три группы:
металлы и их сплавы (тантал, хром, титан, нихром и другие);
металлосилицидные сплавы (PC-3710, МЛТ-3М, РС-3001 и другие); керметы
(керамика – металл).
13
Рис. 3.1. Конфигурации пленочных резисторов: а – прямоугольная; б – типа меандр:
в
– последовательное соединение полосок; 1 – подложка; 2 – резистор; 3 – проводящая
пленка; l, b – длина, ширина резистивной пленки; L, B – длина, ширина меандра;
а – расстояние между резистивными полосками; t – шаг одного звена меандра;
Lср – средняя линия резистора
Параметры наиболее часто применяемых резистивных материалов
приведены в табл. 3.1. При выборе материала для резисторов рекомендуется
стремиться к тому, чтобы все резисторы, расположенные на одной подложке,
имели одинаковое удельное поверхностное сопротивление ρо. Оптимальное
удельное поверхностное сопротивление для изготовления группы резисторов
с точки зрения минимума занимаемой площади:
n
ρ о ост =
∑ Ri
1
n
∑ 1/ R i
,
(3.1)
1
где n – число резисторов; Ri – номинал i – го резистора.
Помимо пленочных резисторов с сосредоточенными параметрами в
гибридных микросхемах используют резисторы распределенного сопротивления, которые представляют собой резистивный слой прямоугольной
либо иной конфигурации с расположенными по периметру или в зоне слоя
омическими контактами. Эквивалентной схемой резисторов распределенного
сопротивления является последовательно-параллельная связанная резистивная цепь. На рис. 3.2 приведены принципиальные электрические схемы,
группы соединенных между собой резисторов (выделены штриховыми линиями) выполнены в виде резисторов распределенного сопротивления. Переход
от пленочных резисторов с сосредоточенными параметрами к резисторам
распределенного сопротивления имеет следующие преимущества:
1) уменьшение в 5–10 раз занимаемой полезной площади подложки;
2) снижение вероятности выхода схемы из строя из-за локальных
механических дефектов: сквозных отверстий (проколов), царапин;
14
Таблица 3.1
Параметры материалов пленочных резисторов
1
Удельное
поверхностное
сопротивление
ρо, Ом/□
2
Удельная
мощность
рассеяния
Ро, Вт/см2
3
Относительное
измерение
сопротивление
за 1000 ч
4
Температурный
коэффициент
сопротивления
4
1
ТКС·10 , гр.5
Хром
10–50
1
1.5–3
- 2,5
Нихром
Сплав
МЛТ-3М
Рений
300
2
1,1–1,3
±1
Способ
нанесения
пленок
6
Термическое
напыление
То же
500
2
± 0,5
±2
>>
0–20
300–7000
–
0–20
Тантал
20–100
3
1
-2
Тантал
Нитрид
тантала
10
3
1
-2
>>
Катодное
распыление
То же
200
3
0,2
0
>>
Материал
Сплав
РС-3001
Сплав
РС-3710
Кермет
- 50С
1000–2000
2
± 0,5
- 0,2
Термическое
напыление
3000
2
–
-3
То же
3000–10000
2
±1
От – 3 до 3
>>
3) предотвращение старения резистивного слоя, поскольку в резисторах
распределенного сопротивления наблюдаются более равномерное рассеяние
тепловой энергии и относительно большая площадь слоя, что исключает
локальный перегрев;
4) минимизация числа соединений в схеме, так как исключаются все
внутренние коммутационные узлы резистивной цепи;
5) использование более простых технологических процессов
фотолитографии и травления, что обусловлено несложной геометрией
резисторов распределенного сопротивления и менее жесткими допусками.
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
15
удовлетворении требуемой точности
технологических возможностей.
γR
в
условиях
существующих
Рис. 3.2. Резисторы с распределенным сопротивлением: а – принципиальная электрическая схема инфро-аналогового преобразователя топология выделенных резисторов
распределенного сопротивления; б – принципиальная электрическая схема низкочастотного усилителя, топология выделенных резисторов распределенного сопротивления
Исходными для расчета являются: схемотехнические данные (из
принципиальной электрической схемы микросхемы) – номинал резистора R,
Ом; допуск на номинал γR, %; мощность рассеяния Р, мВт; технологические
данные и ограничения (см. табл. 3.1), которые зависят от выбора технологического метода создания пленочных элементов; эксплуатационные данные –
диапазон рабочих температур, продолжительность работы и другие.
Расчет пленочных резисторов начинают с выбора материала
(см.
табл. 3.1). Критериями выбора материала являются оптимальное значе-ние ρо,
максимальное значение Ро и минимальное значение ТКС. Далее про-водят
проверку правильности выбора материала с точки зрения обеспечения
точности изготовления резисторов.
Полная относительная погрешность резистора определяется суммой
погрешностей его изготовления и конструкции, а также погрешностей,
обусловленных влиянием условий эксплуатации:
γR = ΔR/R = γкф + γρо + γRт + γRст + γRк ,
(3.2)
где γкф – погрешность коэффициента формы; γρо – относительная погрешность воспроизведения ρо; γRт – температурная погрешность; γRст –
погрешность, обусловленная старением пленки; γRк – погрешность
переходных сопротивлений контактов.
16
Погрешность коэффициента формы γкф зависит от погрешностей геометрических размеров резистора – длины l и ширины b
γкф = Δl/l + Δb/b,
(3.3)
где Δl, Δb – абсолютные погрешность и воспроизведения длины и ширины
резистора соответственно.
Погрешность
воспроизведения
удельного
поверхностного
сопротивления γρо=Δρо/ρо зависит от материала, способа и условий нанесения
резистивной пленки. В условиях серийного производства её значение не
превышает 5 %.
Температурная погрешность зависит от ТКС материала пленки и
диапазона рабочих температур:
γRт = αR (Тмакс – 20 оС),
(3.4)
где αR – температурный коэффициент сопротивления материала пленки,
1/оС.
Погрешность γRст, обусловленная старением пленки, вызвана
медленным изменением структуры пленки во времени, а также ее
окислением. Она зависит от материала пленки и эффективности защиты, а
также от условий хранения и эксплуатации. Обычно γRст, 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 исходя из (3.2),
γкф доп = γR – γρо – γRст – γRт – γRк .
(3.5)
Если значение γкф доп отрицательно или равно нулю, то это означает,
что изготовление резистора заданной точности из выбранного материала
невозможно. В этом случае необходимо выбрать другой материал с
меньшими значениями αR, γRст, γρо, либо использовать подгонку резистора.
Конструкцию резисторов определяют по значению коэффициента
формы (табл. 3.2). Номинал резистора является функцией ρо и геометрических размеров:
(3.6)
R = ρоl/ b = ρо Кф,
где Kф = l/b – коэффициент формы резистора.
17
Таблица 3.2
Коэффициент формы для различных конструкций плёночных резисторов
Конструкция
пленочных
резисторов
Конструкция
пленочных
резисторов
Коэффициент формы
Kф =
l1 + l 2
+ 0,0059
b
Kф =
l1
+ 0,649
b
Kф =
Kф =
Кф =
2 ⋅ l1
+ 2,111± 0,006
b
КФ =
l1 − l2
+ 0,57 ± 0,01
b
Кф =
Коэффициент формы
l1 + l2
b
l1
+ 0,341
b
Кф =
l1
+ 1,48 ± 0,05
b
Кф =
2l1
+ 2,96 ± 0,1
b
l1
+ 0,48 ± 0,01
b
Кф =
l1
+ 0,36
b
l1
+ 0,493
b
Кф =
l1
+ 0,564
b
Кф =
Если известен номинал резистора и выбран материал резистивной
плетки, то коэффициент формы:
Kф = R/ρо
(3.7)
При 1≤ Kф ≤10 рекомендуется конструировать резистор прямоугольной
формы, при Kф > 10 – резистор сложной формы (составной, меандр или типа
змейки). Конструировать резисторы с Kф < 1 не рекомендуется, т.к. он будет
иметь большие контактные площадки, и занимать значительную площадь на
подложке. Порядок дальнейшего расчета зависит от формы резистора.
18
Расчет резисторов прямоугольной формы. Для резисторов с 1 < Кф < 10
сначала определяют ширину резистора из условия:
bрасч ≥ mах {bтехн, bточн, bр },
(3.8)
где bтехн – минимальная ширина резистора, определяемая возможностями
технологического процесса; bточн – минимальная ширина резистора,
обусловленная точностью воспроизведения:
bточн ≥
Δb + Δl/Κ ф
γΚ ф
,
(3.9)
доп
где – bp – минимальная ширина резистора, при которой обеспечивается
заданная мощность:
bp = (P·ρо/PоR)1/2.
(3.10)
За ширину резистора b принимают ближайшее к bрасч большее значение, кратное шагу координатной сетки, принятому дня чертежа топологии с
учетом масштаба. Для гибридных микросхем шаг координатной сетки обычно
составляет 0,1 или 0,05 мм.
Далее определяют расчетную длину резистора:
lрасч = b Kф.
(3.11)
Причем за длину резистора l принимают ближайшее к lрасч значение,
кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии. При
округлении значения lрасч до ближайшего целого необходимо оценивать
получающуюся погрешность и при необходимости выбирать большее
значение ширины резистора b, при котором округление длины обеспечивает
получение заданной точности.
Затем находят полную длину резистора с учетом перекрытия
контактных площадок:
(3.12)
lполн = l + 2 l,
где l – размер перекрытия резистора и контактых площадок.
Площадь, занимаемую резистором на подложке, вычисляют по
формуле:
(3.13)
S = lполн b.
19
Расчет резисторов типа меандра. Резисторы типа меандра рассчитываются из условий минимальной площади, занимаемой резистором. Расчет
меандра начинают с определения b по формулам (3.8)–(3.10), затем находят
длинну средней линии меандра:
Lср = b Kф.
(3.14)
После этого задаются расстоянием а, исходя из технологических ограничений, находят шаг одного звена меандра:
t = a + b.
(3.15)
Затем определяют оптимальное число звеньев меандра nопт. Если
отношение Lср/b>10, то оптимальное число звеньев меандра может быть
вычислено по приближенной формуле:
nОПТ ≈
(LСР /t )(B/L ) .
(3.16)
При L = B (меандр квадратной формы) и a = b выражение упрощается:
nОПТ = K ф /2 .
(3.17)
Значение nопт округляют до ближайшего целого. Габаритные размеры
меандра определяются соотношениями:
L = n (a + b ); B = (LСР − an )/n ,
(3.18–3.19)
где n – оптимальное число звеньев меандра, округленное до ближайшего
целого. Площадь, занимаемая резистором типа меандр:
S M = LB .
(3.20)
Квадратная или близкая к ней форма резистора типа меандр часто
оказывается неудобной при компоновке пленочных элементов элементов на
подложке. В этом случае, зная габаритную площадь SМ, задаются одним из
размеров меандра (L или B), определяют второй размер (B=SM /L или L=SM/B)
и число звеньев n меандра, используя (3.18) или (3.19).
Расчет резисторов сложной конфигурации. Если пленочному резистору
необходимо придать криволинейную форму, приведенную на рис. 3.3, а, то
20
сопротивление для изгиба закругленной формы (рис. 3.3, б) рассчитывают по
формуле:
R′ = ρо 1,57/ln(r1 / r2),
(3.21)
где r1 и r2 – внешний и внутренний радиусы изгиба соотвественно.
Рис. 3.3. Конструкция криволинейного резистора: а – общий вид; б – элемент изгиба
При этом полное сопротивление резистивной пленки, имеющей форму
змейки
R=R′n+ ρо lΣ /b,
(3.22)
где n – число изгибов конфигурации; lΣ – суммарная длина прямолинейных
участков криволинейного резистора.
Расчет резисторов можно производить с помощью номограммы,
представленной на рис. 3.4. Если известны два любых значения из четырех
(b, Р, l, R), то по номограмме можно найти два других.
Для этого необходимо отметить известные значения на
соответствующих вертикальных линиях номограммы и провести прямую,
пересекающую все вертикальные линии.
Точки пересечения двух других вертикальных линий определяют
искомые значения. Например, если задано номинальное значение резистора R
и из технологических допусков определена ширина b, то можно найти
допустимую мощность рассеяния и длину резистивного слоя.
21
Рис. 3.4. Номограмма для расчета параметров пленочных резисторов
Если при данной ширине b допустимая мощность рассеяния на
резисторе оказывается неприемлемой то, зная значение R и Р, можно найти b
и l. Значения сопротивления резистора для пленки с удельным сопротивлением ρoх отличным от приведенного значения ρо, определяются как:
R ρоx = R/К,
(3.23)
где К = 500/ρоx. Значения R в номограмме приведены для ρо = 500 Ом/□.
В некоторых схемах требуется использовать резисторы, точность
получения которых превышает точность, обеспечиваемую возможностями
принятого технологического способа изготовления. В этих случаях при
конструировании гибридной микросхемы применяют специальные пленоч22
ные резисторы, сопротивление которых перед монтажом микросхем подвергается подгонке и не выходит за пределы малых допусков.
На рис. 3.5. представлены некоторые конструктивные формы пленочных резисторов с повышенной точностью получения номинальных
значений сопротивления.
Рис. 3.5. Пленочные резисторы повышенной точности: а – с расширенным участком
подгонки; б – со ступенчатым способом подгонки; 1, 2, 3 – нумерация разрывов пленки,
наносимых с целью подгонки сопротивления резистора
Подгонка сопротивлений таких резисторов может осуществляться:
механическими способами. Пленочные резисторы с повышенной точностью
получения сопротивления содержат, как показано на рис. 3.5, два участка:
основной участок длиной lосн и участок подгонки длиной lподг. Сопротивление участка подгонки можно изменять путем удаления части резистивной
пленки с расширенного участка подгонки (рис. 3.5, а) или ступенчатым
последовательным подключением к основному участку резистора участков
резистивной пленки, закороченных при изготовлении резистора проводящими перемычками (рис. 3.5, б). На рис. 3.5 разрывы пленки показаны
штриховыми линиями, нумерация дана в последовательности их нанесения.
3.1.2. Конструирование и расчет пленочных конденсаторов
Наряду с резисторами конденсаторы относятся к числу наиболее
распространенных элементов гибридных микросхем. По конструкции
пленочный конденсатор в большинстве случаев представляет собой
трехслойную структуру (рис. 3.6): Он состоит из нижней обкладки 1,
диэлектрической пленки 2 и верхней обкладки 3. Вся конструкция наносится
на подложку 4. Площадь нижней обкладки конденсатора, равная
произведению b1·L1 превышает площадь верхней обкладки, равной
произведению b2·L2, площадь диэлектрической пленки больше площади
нижней обкладки. Это исключает возможность замыкания обкладок и
устраняет погрешность от их смещения.
23
Рис. 3.6. Конструкция пленочного конденсатора: а – топология; б – поперечное сечение; 1
– нижняя обкладка; 2 – диэлектрическая пленка; 3 – верхняя обкладка; 4 – подложка
К материалу обкладок пленочного конденсатора предъявляются
следующие требования: высокая электропроводность, обеспечивающая малые
потери энергии, хорошая адгезия, малая миграционная подвижность атомов.
Последнее из этих требований не позволяет использовать в качестве
материалов обкладок золото или медь, так как для них характерна высокая
подвижность атомов. Вследствие их диффузии в диэлектрике могут возникать
короткие замыкания. Для выполнения обкладок не пригодны также металлы с
высокой температурой испарения, например никель. Это связано с тем, что
атомы таких металлов, обладая высокой энергией при температуре
испарения, пронизывают диэлектрический слой и вызывают короткое
замыкание обкладок. Наиболее подходящим материалом для обкладок
тонкопленочного конденсатора является алюминий. Алюминий имеет
сравнительно невысокую температуру испарения, и, следовательно, его
атомы имеют низкую энергию в процессе напыления. В ряду
электропроводности алюминий занимает третье место после золота и серебра,
т. е. электрическое сопротивление обкладок из алюминия оказы-вается
достаточно малым, что обеспечивает высокую добротность изго-товленных
конденсаторов. Конденсаторы с алюминиевыми обкладками надежны,
поскольку атомы алюминия имеют малую миграционную подвижность. Это
объясняется образованием на поверхности алюминия оксидного слоя Аl2О3,
который препятствует диффузии атомов алюминия в диэлектрик. Для
улучшения адгезии алюминия к подложке используют подслой титана или
хрома.
Наиболее качественные конденсаторы применяют на основе тантала,
технология изготовления которых представлена в разд. 3.3.3.
Диэлектрик, применяемый в тонкопленочных конденсаторах, должен
обладать малыми диэлектрическими потерями, высокой электрической
прочностью, хорошей адгезией к подложке и к обкладкам, малым
температурным коэффициентом емкости, стабильностью физических
параметров в диапазоне рабочих температур, достаточно высокой
24
диэлектрической проницаемостью. Кроме того, температурный коэффициент
линейного расширения диэлектрика (ТКЛР) должен быть согласован с
соответствующими коэффициентами подложки и материала обкладки.
Электрические параметры наиболее часто применяемых диэлектрических
пленок для конденсаторов приведены в табл. 3.4.
Таблица 3.4
Температурный
коэффициент емкости
4
-1
ТКЕ ⋅ 10 , град
Электрическая прочность
6
Е пр ⋅ 10 , В/см
5000–
10000
0,01–
0,02
2–3,5
2–3
10–12
5000,
10000,
15000
0,001–
0,005
Монооксид
германия
Диоксид
кремния
Оксид
алюминия
Оксид
тантала
4
20000
8
30000,
40000
20–23
50000,
10000
0,2000
00
3–5
0,5
0,3–1
2
3–4
0,03
4
25
1
5–10
5
2
Способ нанесения пленок
Тангенс угла
диэлектрических потерь
на частоте 1 кГц, tg δ
5–6
Стабильность
в нормальных условиях
под рабочим напряжением
за 1000 ч работы, %
Диэлектрическая
проницаемость на частоте 1 кГц
Монооксид
кремния
Удельная емкость Со,
2
пФ/см
Материал диэлектрика
Параметры диэлектрических пленок для конденсаторов
± (1,5–6)
Вакуумнотермическое
напыление
–1
Вакуумнотермическое
напыление
–
Ионноплазменное
распыление,
реактивное
распыление
–
Реактивное
распыление,
анодное
окисление
–
Электрохимическое
анодирование
Окончание табл. 3.4
Боросили –
катное
стекло
(БСС)
3,9–4,2
15000
0,001
0,2
3–5
–
Вакуумнотермическое
напыление
Алюмосиликатное
стекло
(АСС)
5,2–5,5
30000
0,003
1,5
3–5
–
Вакуумнотермическое
напыление
Иттрий боритное
стекло
(ИБС)
10–12
60000
0,007
5
2–3
–
Вакуумнотермическое
напыление
Конструкция пленочного конденсатора, представленная на рис. 3.6,
применяется в том случае, когда площадь верхней обкладки S составляет не
менее 10 мм2. При S = 5–10 мм2 рекомендуется конструировать пленочный
конденсатор в виде двух перекрещивающихся под прямым углом пленочных
проводников 1 и 3, разделенных диэлектрическим слоем 2, как показано на
рис. 3.7, а.
Рис. 3.7. Пленочные конденсаторы малой емкости: а – с перекрещивающимися
пленочными проводниками; б – с использованием подложки в качестве диэлектрического
слоя; в – гребенчатой конструкции; 1, 3 – пленочные проводники;
2 – диэлектрический слой; 4 – подложка
При активной площади пленочного конденсатора меньше 5 мм2
необходимо применять последовательное соединение нескольких конденсаторов (рис. 3.7, а) или же двустороннюю конструкцию (рис. 3.7, б), в
которой диэлектрическим слоем 2 служит материал подложки.
26
При S = 1 мм2 рекомендуется конструировать гребенчатый пленочный
конденсатор (рис. 3.7, в). Емкость такого конденсатора на 90 % состоит из
паразитной емкости, обусловленной краевым эффектом. Точно рассчитать ее
невозможно, так как трудно учесть степень проникновения электрического
поля в подложку и в воздух или защитное покрытие микросхем.
Емкость гребенчатого пленочного конденсатора, выраженная в
пикофарадах, определяется по эмпирической формуле:
С = βεpl
(3.24)
где β – коэффициент, зависящий от ширины пленочных проводников и
расстояния между ними, выбираемый по графику (рис. 3.8); l – длина
совместной границы проводников, см; εр – расчетное значение относительной диэлектрической проницаемости.
Рис. 3.8. Зависимость β от соотношения d/b1. 1 – для конденсатора, не имеющего
защитного покрытия, 2 – для конденсатора, покрытого защитным слоем
Для конденсатора, не имеющего защитного покрытия, расчетное
значение относительной диэлектрической проницаемости εр = (1 + εп)/2. Для
конденсатора, покрытого защитным слоем, εр = (εд + εп)/2 ( см. рис. 3.8).
Здесь εп – относительная диэлектрическая проницаемость материала
подложки; εд – относительная диэлектрическая проницаемость слоя
покрытия. Конденсаторы, конструкция которых выполнена, как показано на
рис. 3.7, а, характеризуются более высокой точностью получения заданного
номинала емкости по сравнению с обычными конденсаторами того же самого
номинала.
Исходными данными для определения геометрических размеров
конденсаторов являются: схемотехнические данные (из принципиальной
электрической схемы) – номинал конденсатора С, пФ; допуск на номинал
γс, %; рабочее напряжение Up, В; тангенс угла диэлектрических потерь tg δ
или добротность Q (Q = 1/tg δ); технологические данные и ограничения
27
(см. табл. 3.4); эксплуатационные данные – диапазон рабочих температур,
рабочая частота ƒр и другие.
Расчет пленочных конденсаторов начинают с выбора материала
обкладок и материала диэлектрика (см. табл. 3.4). Чтобы конденсатор занимал
как можно меньшую площадь, нужно выбирать материал диэлектрика с
максимальной диэлектрической проницаемостью ε, с высокой электрической
прочностью Е, а также с малыми значениями ТКЕ и tg δ. Для обеспечения
высокой добротности конденсатора необходимо, чтобы материал обкладок
имел малое удельное поверхностное сопротивление.
Емкость конденсаторов, состоящих из двух обкладок, разделенных
диэлектриком:
C = Cо S ,
(3.25)
где Со – удельная емкость; S = Sв – площадь взаимного перекрытия обкладок
(площадь верхней обкладки конденсатора). Удельная емкость, исходя из
условий электрической прочности, определяется из соотношения:
СоU = ε о ε/d ,
(3.26)
2
где εо = 0,0885 пФ/см – относительная диэлектрическая проницаемость;
ε – диэлектрическая проницаемость материала диэлектрика; d – толщина
диэлектрика.
Минимальную толщину диэлектрика выбирают таким образом, чтобы
конденсатор надежно выдерживал заданное рабочее напряжение Up:
d ≥ U p К з / Епр ,
(3.27)
где Кз – коэффициент запаса по напряжению (Кз = 2–3).
Учитывая технологические возможности, толщина диэлектрических
пленок должна варьироваться в пределах от 0,1 до 1 мкм.
Если необходимо обеспечить заданную погрешность емкости, тогда
удельная емкость конденсатора определяется из соотношения:
Соточн = С (γ s /ΔL) 2 (K ф /(1 + K ф ) 2 ,
(3.28)
γs
–
относительная
погрешность
площади
конденсатора;
где
AL = AB – абсолютные погрешности размеров обкладки конденсатора;
Кф = L/B – коэффициент формы конденсатора.
28
Максимально
конденсатора
допустимая
относительная
погрешность
ϒs = ϒс – ϒсо – ϒCст – ϒCt,
площади
(3.29)
где ϒсо – относительная погрешность удельной емкости, характеризующая
воспроизводимость удельной емкости в условиях данного производства
(зависит от материала и погрешности толщины диэлектрика и составляет
3–5 %); ϒCст – относительная погрешность, обусловленная старением пленок
конденсатора (зависит от материала и метода защиты и обычно не превышает
2–3 %); ϒс – относительная температурная погрешность, которая определяется выражением:
ϒс = αc (Тмакс – 200 оC),
(3.30)
где αc – температурный коэффициент емкости (ТКЕ).
После расчета удельной емкости конденсатора по (3.26) и (3.28)
выбирают меньшее из двух полученных значений:
Cо ≤ min {CоU, Со точн}.
(3.31)
Затем определяют площадь верхней обкладки:
SB = С/Со.
Размеры верхней
соотношениям:
обкладки
рассчитывают
(3.32)
согласно
следующим
LB = S BΚ ф ,
(3.33)
BB = LB / K ф .
(3.34)
Размеры нижней обкладки:
LH = LB + 2q ,
BH = BB + 2q ,
(3.35)
(3.36)
где q – размер перекрытия нижней и верхней области конденсатора
(см. табл. 3.6). Размеры диэлектрика:
Lд = LH + 2f,
(3.37)
Bд = BH + 2f,
(3.38)
29
где f – размер перекрытия нижней обкладки и диэлектрика (см. табл. 3.6).
Затем определяем площадь, занимаемую конденсатором:
S Д = LД ВД .
(3.39)
При расчете конденсаторов маленькой площади (S = 5–10 мм2) необходимо
учитывать увеличение емкости конденсатора, обусловленного влиянием
краевого эффекта (увеличением напряженности электрического поля на краях
обкладок). Площадь конденсатора должна быть уменьшена:
S в = C /( KСо ) ,
(3.40)
где К – коэффициент, учитывающий краевой эффект:
К = 1,3− 0,6С/Со .
(3.41)
Конденсатор спроектирован правильно, если рабочий тангенс угла
потерь не превышает заданного:
tg δ раб ≤ tg δ .
(3.42)
Потери в конденсаторе складываются из потерь в диэлектрике и
обкладках:
tg δ раб = tg δ д + tg δ обк .
(3.43)
Тангенс угла потерь в диэлектрике является справочным параметром.
Потери в обкладках зависят от их сопротивления:
tg δ обк = 2π f р Rобк С ,
(3.44)
где Rобк – сопротивление обкладок конденсатора, Ом; С – емкость
конденсатора, Ф; f р – рабочая частота, Гц.
Полное сопротивление обеих обкладок рассчитывается по формуле:
Rобк = (2/3)ρ о обк К ф ,
(3.45)
где ρо обк – удельное поверхностное сопротивление материала обкладок (определяется по табл. 3.4). Кроме того, необходимо оценить обеспечение
30
электрического режима и точности конденсатора в заданных условиях
эксплуатации, т.е.:
Е раб ≤ Е ,
где
(3.46)
Ераб = U p / d ′
(3.47)
d′ = 0,0885ε / Cо , см; γs ≤ γs ,
раб
(3.48–3.49)
где
γ s раб = Δ L (1 + K Φ ) / K Φ S S .
(3.50)
Если одно из неравенств (3.42), (3.46), (3.49) не выполняется, то
необходимо выбрать другой материал диэлектрика, или материал обкладок,
или изменить конструкцию конденсатора.
Если в схеме несколько конденсаторов, то для изготовления их в
едином
технологическом цикле целесообразно выбирать для всех
конденсаторов один и тот же диэлектрик с одинаковой толщиной и
одинаковой удельной емкостью Со.
Для нескольких конденсаторов на одной подложке расчет начинают с
конденсатора, имеющего наименьший номинал емкости. После выбора
материала и вычислений по формулам (3.26–3.29) определяют значение
удельной емкости, при котором конденсатор будет занимать минимальную
площадь на подложке:
С
о мин
=С
мин
/S
мин
.
(3.51)
Окончательный выбор Со производят по формуле:
Со ≤ мин{СoU , Соточн , Со мин }.
(3.52)
Вычисляют толщину диэлектрика, соответствующую удельной
емкости, по (3.48). Если толщина диэлектрика не выходит за пределы
возможностей тонкопленочной технологии (0,1–1 мкм), то продолжают
дальнейший расчет, в противном случае – выбирают другой материал.
Если вычисленные размеры конденсаторов оказываются большими, то
необходимо выбрать другой диэлектрический материал с более высокой
проницаемостью ε. Кроме того, можно увеличить число обкладок или
использовать навесные конденсаторы с меньшими геометрическими размерами и достаточно хорошими электрическими характеристиками.
31
Часто возникает необходимость конструирования пленочных
конденсаторов с повышенной точностью получения емкости, превышающей
технологические возможности производства. В этом случае в конструкции
пленочного конденсатора приходится предусматривать кроме основной
секции с неизменяемой емкостью участок, емкость которого может изменяться.
Конструктивные формы таких конденсаторов показаны на рис. 3.9. От
обычных конденсаторов они отличаются секционированными верхними
обкладками.
Отсоединяя секции конденсатора, изображенного на рис. 3.9, а, можно
уменьшить его емкость, подгоняя ее значение в заданный допуск.
Отсоединение секций может осуществляться с помощью резца
микроманипулятора. Верхняя обкладка конденсатора, показанная на
рис. 3.9, б, состоит из нескольких не соединенных между собой секций.
Подсоединяя или отключая некоторые секции, емкость конденсатора можно
изменять в любую сторону, в отличие от первого варианта, в котором емкость
при отсоединении секций может только уменьшаться.
Рис. 3.9. Пленочные конденсаторы повышенной точности: а – с уменьшаемой емкостью
во время подгонки; б – с изменяемой емкостью во время подгонки; 1 – нижняя обкладка
конденсатора; 2 – диэлектрический слой; 3 – верхняя обкладка
С помощью пленочной технологии не удается выполнить конденсаторы
с плавным изменением емкости в широком диапазоне. Поэтому для
реализации таких конденсаторов также, приходится применять пленочные
конденсаторы со ступенчатым изменением емкости. Одна из конструкций
конденсатора, позволяющая в сравнительно широком диапазоне подбирать
требуемое значение емкости, показана на рис. 3.9, б.
На рис. 3.10 изображена другая, так называемая «матричная» конструк ция
пленочного конденсатора со ступенчатым изменением емкости в очень
широком диапазоне. Обкладки 1 и 2 этого конденсатора представляют собой
гребенки, которые разделены общим диэлектрическим слоем 3. В местах
перекрещивания проводниковых пленок, принадлежащих разным слоям,
32
образуются секции конденсатора, которые можно отсоединять разрывом
любого проводника.
Рис. 3.10. Матричный пленочный конденсатор: 1, 2 – обкладки конденсатора; 3 – диэлектрический слой
Необходимое число секций матричного конденсатора n = Смакс/tс, где
Смакс – начальная максимальная емкость матричного конденсатора; tс – шаг
подбора емкости, представляющей собой емкость одной секции.
Определив число секций n, найдем необходимое число пленочных
проводников нижней n1 и верхней n2 обкладок-гребенок: n = n1n2.
3.1.3. Конструирование и расчет пленочных индуктивностей
В некоторых гибридных микросхемах необходимо применение
индуктивных элементов. В частности, такие элементы входят в состав
колебательных контуров автогенераторов, полосковых фильтров усилиителей, в цепи коррекции частотных характеристик и т. д.
На рис. 3.11 показаны типовые конструкции пленочных катушек
индуктивности. Коэффициент связи у двух сильно связанных катушек
(расположенных с двух сторон подложки и имеющих общий центр)
максимален и близок к единице, если их центры совпадают. Для уменьшения
связи центры катушек смещают. Минимальная связь между ними будет при
расположении в одной плоскости и на максимальном удалении их центров
друг от друга.
Металлические проводники спиралей так же, как проводники коммутации и контактных площадок, имеют двух- или трехслойную структуру. Основным недостатком пленочных катушек является их малая индуктивность,
обычно не превышающая единиц микрогенри. Ограничение диапазона
индуктивностей объясняется тем, что габаритные размеры катушек с номинальными значениями более 5 мкГ становятся неприемлемыми для гибридных микросхем. Для предварительной оценки компоновочных параметров
катушек тонкопленочных микросхем достаточную точность и значительный
выигрыш во времени дает использование номограммы и графика
(см. рис. 3.11).
По номограмме определяются основные параметры квадратных или
33
круглых однородных катушек, а по графику – уменьшение индуктивности
катушки на частотах, близких к частоте собственного резонанса катушки.
Определение геометрических параметров катушки производится в следующей последовательности. По заданному значению L и отношению среднего
радиуса катушки а к её ширине с находим промежуточное значение параметров (первое определение).
Рис 3.11. Типовые конструкции пленочных катушек индуктивности, номограмма их
расчета и график для оценки реального значения индуктивности катушки
Затем по заданному числу витков п находим средний радиус а или наоборот
(второе определение). Зная индуктивность катушки и ее паразитную емкость,
вычисляем значение частоты собственного резонанса и по отношению
f / f о (где f – рабочая частота, f о – частота собственного резонанса катушки)
определяем реальное значение индуктивности Lэкв в зависимости от
расчетного Lо.
На практике для вычисления индуктивности применяют также
34
упрощенные эмпирические формулы, которые для квадратной и круглой
однополярной катушек соответственно записываются:
Lо = 0,0241an5/3 ln (8a/c); Lо = 0,0215 an5/3 ln (8a/c).
(3.53–3.54)
3.1.4. Расчет пленочных проводников и контактных площадок
В пленочных гибридных ИМС используют два типа контактных
переходов. Первый представляет собой контактную пару из резистивной и
низкоомной пленок, второй – контактную пару из двух низкоомных пленок.
Контактный переход любого типа имеет конечное сопротивление.
Эквивалентное сопротивление контактного перехода, образованного
резистивной 1 и низкоомной 2 пленками (рис. 3.12, а, б), зависит от
геометрических размеров контакта, проводимости резистивной пленки и
удельного
переходного
сопротивления,
под
которым
понимают
сопротивление единицы площади контактного слоя 3 току, протекающему по
нормали к слоям контакта.
Рис. 3.12. Контактный переход пленочного резистора. а – поперечное сечение; б – топология; 1 – резистивная пленка; 2 – низкоомная пленка; 3 – контактный слой; 4 – подложка
Полное сопротивление контактного слоя без учета шунтирующего
влияния резистивной и низкоомной пленок контактной пары равно:
Rк =
ρк
,
S
(3.55)
2
где ρ к – удельное переходное сопротивление, Ом·мм ;
S = b·lк – площадь контакта.
35
Сопротивление пленочного проводника, равное
Rк = ρк
l
b
(3.56)
будет тем меньше, чем меньше его длина, чем больше толщина и ширина
проводящей пленки. Если длина проводника определяется расстоянием
между соединяемыми элементами, то остальные члены правой части
выражения в значительной степени могут изменяться.
Ширина проводящей пленки так же, как и ее толщина, определяется
рядом электрических и технологических ограничений. Абсолютные значения
и соотношения линейных размеров отдельных элементов схемы и их групп
паразитных параметров схемы (собственную и взаимную емкость, собственную и взаимную индуктивность). Увеличение ширины проводящей пленки
приводит к возрастанию паразитной емкости, а ее уменьшение увеличивает
паразитную индуктивность. При заданном значении удельного сопротивления минимальная ширина проводящей пленки определяется также
предельно допустимой плотностью тока, проходящего через проводник и
допустимым падением напряжения. Плотность тока, в свою очередь, зависит
от целого ряда теплофизических параметров конструкции микросхемы,
причем можно считать, что она монотонно возрастает с уменьшением
теплового сопротивления системы проводник – окружающая среда. Поскольку тепловыделения в пленочных проводниках обычно невелики, то тепловое
сопротивление системы проводник-подложка мало. Поэтому с достаточной
для расчетов точностью можно предполагать, что все тепло аккумулируется
подложкой.
Из многочисленных технологических ограничений, налагаемых на ширину проводника, отметим лишь некоторые. Как и для случая тонкопленочных резисторов, при заданной суммарной длине всех проводников микросхем существует некоторое предельное число квадратов проводника n, определяемое минимально допустимым процентом выхода годных по обрывам
проводников. Для большинства практических случаев значение n изменяется
от 5000 до 10000.
Минимальная ширина проводящей пленки в местах ее пересечения с
другими проводниками определяется предельно допустимой суммарной
площадью всех пересечений микросхемы, которая выбирается в зависимости
от процента выхода годных пересечений.
Дополнительное ограничение на максимальную ширину пленки
контактной площадки налагается в том случае, когда внешние выводы
навесных компонентов необходимо приваривать к подложке с высоким
тепловым сопротивлением. Оказывается, что режимы микросварки в этом
случае сильно зависят от площади массивной (толщиной 3–10 мкм)
36
контактной площадки из-за резкого возрастания теплоотвода. Это приводит к
необходимости форсирования режимов сварки, в результате чего проводящая
пленка может отслаиваться.
Минимальная ширина контактной площадки должна быть не меньше
некоторого экспериментального значения, которое в зависимости от уровня
интеграции микросхемы составляет 50–350 мкм. Основные характеристики
проводящих материалов приведены в табл. 3.5
Однако, при изготовлении коммутационных соединений и контактных
площадок тонкопленочных гибридных ИМС применяют многослойную
структуру, состоящую из подслоя, токопроводящего и защитного слоев.
Подслой улучшает адгезию токопроводящих слоев с подложкой. Толщина
материала подслоя составляет 10–30 нм. В качестве адгезионного слоя для
металлов высокой проводимости, т.е. проводящего слоя контакта, применяют следующие материалы:
Материалы
проводящего
слоя
Материалы
подслоя
Au
Ag
Cu
Al
Mo, Cr, Ta,
Ti, W, NiCr
Cr, Ti, NiCr
Ti, Mn,V,
NiCr, Cr
Tr, NiCr, Mo,
Ta, Ti, Ni
Однако для такого сочетания не исключена возможность деградации изза взаимной диффузии металлов, электрохимической коррозии пары или
термического окисления активного металла. Особенно чувствительны
двойные системы к воздействию влажности.
С целью частичного устранения металлургической несовместимости
различных материалов контактной пары, исключения расслаивания системы
контактов, сосоящих из различных металлов, используют напыление
дополнительного промежуточного слоя:
Подслой
Ti
Cr
NiCr
Ti
Промежуточный
слой
Pt
Ag
Pd
Pd
Проводящий
основной слой
Au
Au
Au
Au
37
Таблица 3.5
Удельное
сопротивление
мкОм×см
Плотность, г/см3
Коэффициент
линейного
расширения,
1/град×10-4
Теплопроводнос
ть, кал/с·см2×оС
Температура
плавления, оС
Температура
испарения при
давлении паров,
10-2 мм рт. ст
Скорость
испарения ×10-4
г/см2·с
Al
2,8
2,7
23,8
42
0,168
2,22
660
2060
1,2·10-6
996
0,85
Ванадий
V
–
6,1
–
–
–
–
1697
3527
–
1888
–
Висмут
Bi
–
9,8
–
–
–
–
271
1560
1,2·10-10
698
2,7
Вольфрам
W
5,5
19,3
4,4
46
0,033
1,60
3382
5900
1,7·10-2
3309
1,45
Железо
Fe
10,7
7,9
13,7
54
0,73
15,35
27,40
3,7·10-2
1447
1,02
Золото
Au
2,4
19,3
14,2
38
0,062
–
1063
2960
6·10-6
1465
1,95
Индий
In
9,0
7,3
24,8
47
–
0,25
157
2991
–
952
–
Кадмий
Cd
7,6
8,6
30
42
–
0,93
321
765
10-5
264
2,65
Медь
Cu
1,75
8,9
16,5
44
0,100
3,93
1083
2590
3,0·10-4
1273
1,18
Молибден
Mo
5,7
10,2
5,1
46
0,063
1,44
2622
4750
2,2·10-2
2533
1,05
Никель
Ni
11,3
8,8
13,0
60
38
0,108
0,75
1455
2730
4,4·10-3
1510
1,06
Температура
Обозначение
Алюминий
Температурный
коэффициент
сопротивления
1/град×10-4
Теплоемкость
(0–100 оС),
ккал/град·ч
Материал
кипения, оС
Давление паров
при температуре
плавления, мм
рт. ст
Основные характеристики проводящих материалов
Плотность, г/см3
Теплопроводнос
ть, кал/с·см2×оС
Температура
плавления, оС
Температура
кипения, оС
Давление паров
при температуре
плавления, мм
рт. ст
Температура
испарения при
давлении паров,
10-2 мм рт. ст
Скорость
испарения ×10-4
г/см2·с
Nb
14,0
8,5
7,2
30
–
0,5
2450
4367
–
2700
–
Олово
Sn
13,4
7,4
26,7
44
0,559
0,63
232
2400
–
1189
1,65
Палладий
Pd
10,8
11,5
11,8
35
0,062
–
1165
4000
8,7·10-3
1566
1,4
Платина
Pt
10,5
21,4
9,0
39
0,032
0,68
1774
440
1,6·10-4
2090
1,68
Свинец
Pb
20,5
11,3
28,5
41
0,031
0,34
328
1740
5,4·10-8
718
2,67
Серебро
Ag
1,62
10,5
19,7
36
0,056
4,2
961
2210
1,7·10-3
1047
1,67
Тантал
Ta
14,6
16,5
6,5
35
0,036
0,54
2996
5300
5,6·10-2
3070
1,35
Титан
Ti
54,0
4,5
8,5
44
–
0,15
1727
3300
8,4·10-2
1546
0,95
Хром
Cr
21,0
7,2
6,5
–
–
–
1900
2200
6,4·10-7
1205
1,1
Цинк
Zn
6,0
7,1
17,1
39
1,10
419
900
1,6·10-5
343
1,9
Коэффициент
линейного
расширения,
1/град×10-4
Температурный
коэффициент
сопротивления
1/град×10-4
Теплоемкость
(0–100 оС),
ккал/град·ч
Удельное
сопротивление
мкОм×см
Ниобий
Материал
Обозначение
Продолжение табл. 3.5
0,10039
При старении сопротивление контакта с промежуточным слоем
изменяется быстрее, чем в двухслойной структуре, что связано с диффузией
материала промежуточного слоя в основной проводящий слой,
уменьшающий электропроводность последнего. Поэтому электропроводность в значительной мере зависит от содержания материала основного и
промежуточного слоев и уменьшается при увеличении их соотношения.
При использовании в качестве основного слоя контакта меди на
поверхность контакта наносят защитное металлическое покрытие (золото,
никель), предотвращающее ее окисление
Материал
Толщина слоя, Ǻ
Удельное
сопротивление
контакта, Ом/□
Подслой – нихром
Основной слой – медь
Покрытие – никель
100–300
6000–8000
800–1200
0,02–0,04
Подслой – нихром
Основной cлой – медь
Покрытие – золото
100–300
6000–8000
500–600
0,02–0,04
Материал защитного слоя должен обеспечивать прочную адшезию с
проводящим слоем, достаточную химическую инертность, коррозийную
стойкость и допускать сварку и пайку внешних выводов.
3.2. Проектирование топологии ГИС
3.2.1. Особенности топологии и этапы ее разработки
Основным завершающим этапом процесса конструирования гибридных
ИМС является разработка топологического чертежа микросхемы и ее
оптимизация. Топологический чертеж микросхемы представляет собой
конструкторский документ, строго определяющий ориентацию и взаимное
расположение всех элементов микросхемы на площади подложки, а также
форму и размеры пассивных элементов. Его составляют с учетом ряда
требований и ограничений, определяемых принципом работы и назначением
микросхемы. Иначе говоря, топологический чертеж, или просто топология
микросхемы, – это документ, предопределяющий оптимальное размещение
элементов микросхемы на подложке и обеспечивающий изготовление
микросхемы с заданными техническими и электрическими параметрами. В
качестве примера на рис. 3.13, а, б представлены топологический чертеж
микросхемы К2ТК171 и ее электрическая схема.
40
Топологический чертеж является основным документом, по которому
можно оценить возможный характер и значения паразитных связей в
микросхеме, рассчитать тепловые режимы ее элементов и в целом,
определить надежность с учетом не только режимов работы, но и рабочих
температур элементов. Пользуясь только принципиальной схемой изделия,
такой расчет выполнить невозможно.
При разработке топологических чертежей микросхем необходимо
учитывать следующие специфические особенности:
1) Все схемные элементы гибридных ИМС, кроме активных элементов,
формируются с высокой плотностью на поверхности подложки. Это приводит
к увеличению паразитных взаимодействий между основными элементами
схемы и к появлению новых паразитных элементов, а также к усилению
теплообмена между элементами и повышению уровня собственных шумов.
Рис. 3.13. Топологический чертеж (а) и электрическая схема (б) микросхемы К2ТК171
2) Все схемные элементы гибридных ИМС, кроме активных навесных
элементов, должны изготовляться за один технологический цикл, что
исключает предварительную отработку и удаление дефектных элементов.
При этом существенно повышаются требования к точности конструирования
гибридных ИМС.
Разработка топологии гибридных ИМС включает в себя следующие
этапы:
а) расчет и уточнение конструктивной структуры схемных элементов;
б) расположение схемных элементов на поверхности подложки;
в) разводка (трассировка) межэлементного монтажа;
г) контрольно-проверочные расчеты для оценки правильности или
оптимальности построения топологической модели.
41
Конструирование и расчет элементов. Первый этап непосредственной
разработки топологической модели гибридной ИМС заключается в уточнении
конструктивной
структуры
схемных
элементов
и
их
расчете.
Предварительный выбор конструктивной структуры схемных элементов
обычно производится на этапе расчета электрической модели гибридной
ИМС. Исходными при этом являются следующие данные:
а) основные сведения о принципиальной электрической схеме
(перечень элементов и их взаимосвязи), а также о номинальных значениях
параметров элементов и допусках на эти параметры;
б) предварительная разработка конструктивно-технологического типа
гибридных ИМС, материала подложки и конструктивной структуры схемных
элементов;
в) выбор необходимого или допустимого размера подложки, вариантов
типоразмеров корпусов герметизации, напряжения питания и т. д.
В результате такой предварительной проработки удается определить
форму и размеры каждого элемента, допуски на размеры, а также уточнить
марки материалов, их электрофизические параметры и допуски на параметры.
Изменением конфигурации и размеров элементов при выбранном типе
их конструктивной структуры можно получить широкий спектр параметров и
характеристик этих элементов. Выбор оптимальных конфигураций, размеров
и материалов элементов относится к числу наиболее важных задач при
разработке топологии. Для каждой гибридной ИМС желательно, а часто
необходимо использовать свою особую конфигурацию элементов, наиболее
целесообразную в данном конкретном случае. Например, если схема должна
работать с высокой скоростью переключения, то используют элементы с
малыми геометрическими размерами; если схема должна работать при
сильных токах, то применяют элементы с увеличенными геометрическими
размерами и т. д.
В настоящее время определение оптимальных конфигураций и
размеров схемных элементов чаще всего производят с помощью
моделирования на ПЭВМ при одновременном расчете параметров и
характеристик элементов. Информация о результатах моделирования и
расчетов элементов хранится в памяти ПЭВМ и затем используется при
дальнейшем проектировании ГИС.
Расположение элементов на подложке. Следующий этап заключается в
размещении схемных элементов на поверхности (по площади) подложки. Для
этого принципиальную электрическую схему перечерчивают так, чтобы
выводы схемы в виде контактных площадок располагались в необходимой
последовательности в определенных областях подложки. Таким образом,
разработка топологии гибридной ИМС может быть сведена к выполнению
следующих операций.
1) Из принципиальной электрической схемы исключают навесные
элементы и их выводы заменяют контактными площадками.
42
2) Определяют площадь подложки S. Приблизительно эта площадь
может быть вычислена из соотношения:
m
k
l
⎛ n
⎞
S = K ⋅ ⎜ ∑ S Ri + ∑ S Ci + ∑ S Li + ∑ S Hi + N ⋅ S k ⎟ ,
i =1
i =1
i =1
⎝ i =1
⎠
(3.57)
где К – коэффициент использования площади подложки, который при
приближенных расчетах выбирается равным 2 или 3; SRi – площадь i-гo
резистивного элемента; SCi – площадь емкостного i-го элемента;
SLi – площадь i-го индуктивного элемента; SHi – площадь i-гo навесного
элемента (транзистора, диода, конденсатора, индуктивности и т. д.);
n,
SK – площадь контактной площадки; N – число контактных площадок;
m, k, l – число резисторов, пленочных конденсаторов, катушек индуктивности и навесных элементов соответственно.
3) На поверхности подложки размещают контактные площадки
навесных элементов и активные элементы схемы.
4) На поверхности подложки размещают все остальные элементы
схемы.
5) Вычерчивают топологические чертежи конструкции гибридных
ИМС.
В процессе выполнения этих операций необходимо учитывать
допустимые размеры элементов конструкции, приведенные в табл. 3.6.
Таблица 3.6
Допустимые размеры элементов конструкции
Параметры конструкции
Предельное
значение
Минимальное расстояние от верхних обкладок конденсаторов,
индуктивных элементов и пересечений пленочных проводников до
места установки навесных элементов
0,5 мкм
То же от края навесного элемента до контактной площадки для
приварки проволочного вывода
600 мкм
То же между навесными проводниками и между навесными
элементами
300 мкм
Максимальная длина проволочных выводов
43
не более 5 мм
Окончание таб. 3.6
Минимальное расстояние навесного элемента от края платы
микросхемы
То же проволочного вывода от открытого пленочного проводника
(или навесного проводника)
Минимальное перекрытие совмещаемых в процессе производства
слоев для технологических операций:
фотолитографии
напыления через маску
Минимальный выступ нижней обкладки пленочного конденсатора за
край верхней
То же диэлектрика за край нижней обкладки
То же диэлектрика за край нижней обкладки в области вывода
верхней обкладки
Расстояние от края диэлектрика до мест соединения выводов
обкладок конденсаторов с другими элементами
Допустимая минимальная ширина пленочного резистора для
технологических операций:
фотолитографии
напыления через маску
Минимальная длина пленочного резистора для технологических
операций:
фотолитографии
напыления через маску
Минимальная ширина зазора изогнутых резисторов
Отношение длины зазора изогнутого резистора к ширине
Минимальная ширина пленочных проводников:
при напылении
при фотолитографии на основе тантала
Минимальные размеры контактных площадок для приварки и
припайки проволочных выводов:
для приварки
для припайки
Минимальное расстояние между контактными площадками
Минимальные размеры контактных площадок для контроля
параметров пленочных элементов
Минимальное допустимое расстояние между элементами для
технологических процессов изготовления гибридных ИМС:
фотолитографии
напыления через маску
0,4 мм
200 мкм
100 мкм
200 мкм
200 мкм
100 мкм
200 мкм
300 мкм
100 мкм
200 мкм
100 мкм
300 мкм
300 мкм
10
100 мкм
50 мкм
200х250 мкм
400х400 мкм
200 мкм
200х200 мкм
2
2
2
100 мкм
200 мкм
Расстояние между контактными площадками навесных элементов
определяется их цоколевкой, а также длиной и жесткостью выводов.
44
Суммарная площадь нижних обкладок конденсаторов недолжна превышать 2
см2, а минимальная площадь должна составлять 0,5х0,5 мм.
Максимальная емкость одного конденсатора не должна превышать
3
15·10 пФ, а минимальная емкость одного конденсатора должна быть не
менее 10–20 пФ.
Максимальный номинал сопротивления резистора ограничивается
конструкцией гибридных ИМС, а его минимальный номинал должен быть не
менее 10–20 Ом. При одновременном изготовлении высокоомных и
низкоомных (менее 100 Ом) резисторов допуск на низкоомные резисторы
рекомендуется увеличивать.
При расположении схемных элементов на подложке необходимо
удовлетворять определенным требованиям, основными из которых являются:
а) минимизация и равномерное использование площади подложки;
б) ослабление паразитных связей между элементами (особенно в
высокочастотных гибридных ИМС);
в) уменьшение теплового градиента подложки;
г) снижение уровня шумов.
Разводка проводников на подложке. При разводке (трассировке)
проводников межэлементного монтажа на подложке исходят из
определенных общих требований. Главные из них сводятся к минимизации
длин проводников, числа их пересечений и монтажной емкости. Указанные
требования в известной степени противоречивы. Для их удовлетворения
конструктор при проектировании гибридных ИМС должен придерживаться
ряда правил. Например, пленочные проводники должны иметь минимальную
длину и не должны соприкасаться друг с другом. Высокочастотные входные
и выходные проводники следует, как можно дальше разносить друг от друга.
При конструировании сложных гибридных ИМС, когда плотность монтажа и
число пересечений возрастают, используют как многослойную, так и
двустороннюю (по обе стороны подложки) структуру монтажа. Монтажная
емкость при двустороннем монтаже оказывается меньше монтажной емкости
при многослойном монтаже, располагаемом на одной стороне подложки.
Трассировка проводников производится после размещения схемных
элементов на подложке. В каждом конкретном случае схема трассировки
проводников достаточно жестко привязана к определенному размещению
элементов. Если все практически возможные варианты трассировки
проводников признаны неудовлетворительными, то конструктор изменяет,
расположение элементов на подложке. Эта операция повторяется до тех пор,
пока не будет решена задача трассировки.
При выполнении этих этапов синтеза топологической модели
гибридной ИМС необходимо учитывать требования, которые можно
подразделить на четыре группы:
а) общие требования к РЭА и к входящим в нее гибридным ИМС
45
(надежность, стоимость, условия эксплуатации и испытаний, хранения,
транспортировки и другие);
б) специальные требования к РЭА и гибридным ИМС (быстродействие,
чувствительность, режим работы, масса, габариты и другие);
в) требования, налагаемые особенностями производства (условия и
возможности производства, степень освоенности определенных технологических процессов, сроки проектирования и изготовления и т. д.);
г) наличие готовых технических рекомендаций и степень точности
принимаемых решений (если точность решения и прогнозов не высока, то
следует провести дополнительные научно-исследовательские работы).
Выполнение изложенных требований удобно реализовать следующим
образом:
• использованием прогнозирования и моделирования для оценки
минимальной площади подложки, оптимальной трассировки проводников,
ожидаемой надежности гибридных ИМС и другое;
• введением конструктивных, технологических и эксплуатационных
решений на непосредственный процесс синтеза топологии гибридных ИМС;
• оценкой степени удовлетворительности или оптимальности полученных решений синтеза топологической модели с помощью серии
контрольно-проверочных расчетов.
Перечень ограничений, составленный на основе опыта проектирования
и производства гибридных ИМС, отражен в межведомственных нормалях и
технических условиях.
Контрольно-проверочные расчеты. После построения первого (или
очередного) варианта топологической модели гибридной ИМС ее проверяют
на соответствие предъявляемых к ней требований и оптимальность. С этой
целью производят серию следующих контрольно-проверочных расчетов
гибридных ИМС: расчет теплового режима, паразитных связей, собственных
шумов, быстродействия, надежности, расчет на технологичность конструкции. Эти расчеты основываются на анализе конкретной конструкции гибридной ИМС, причем для каждого расчета применяется своя методика, для
которой характерна определенная точность. Для сокращения времени и повышения точности расчетов желательно использовать ЭВМ.
При положительных оценках конструкции гибридной ИМС, полученных на основе расчетов, переходят к разработке конструкторской документации. Особое значение при этом следует уделять изготовлению
шаблонов будущих масок. В случае неудовлетворительных оценок (что часто
бывает в первых вариантах топологической модели) конструкцию ИМС
переделывают в соответствии с данными контрольно-проверочных расчетов.
Процесс переделки в одних случаях может затрагивать только разводку
монтажа, а в других всю конструкцию гибридной ИМС, включая элементы, и
их расположение на подложке. Указанный процесс интеграции продолжается
до получения оптимального решения.
46
3.2.2. Компоновка топологической структуры ГИС
Плоский план микросхемы, представляющий ее топологическую
структуру, образуется в процессе компоновки на плоскости элементов и
связей между ними по выбранному оптимальному графу принципиальной
электрической схемы. На этапе компоновки в конкретных геометрических
формах элементов микросхемы обусловливается реализация электрических
параметров схемы с учетом особенностей технологии изготовления
гибридной ИМС. Каждому элементу схемы, в том числе и элементам
коммутации, в плоскости придаются конкретные геометрические формы и
размеры с учетом взаимной ориентации элементов, соответствующей
оптимальному
графу. Предварительное вычерчивание компоновки
производится на миллиметровой бумаге в масштабе 10:1 или 20:1.
Окончательный вариант топологической структуры гибридной ИМС
выполняется на сетчатом ватмане. Чертеж делается в увеличенном масштабе,
с точностью до деления сетки на нем изображается общий вид гибридной
ИМС с цветовой кодировкой слоев микросхемы.
При осуществлении компоновки необходимо соблюдать некоторые
общие правила, основные из которых сводятся к следующему. При
образовании топологической структуры следует учитывать допустимую
форму элементов контура. Контур пленочного элемента может состоять из
комбинаций прямых и кривых отрезков или только из прямых отрезков,
расположенных под произвольными или под определенными углами. При
изготовлении рисунка вручную возможна произвольная форма контура, с
помощью координатографа воспроизводятся контуры из взаимно
перпендикулярных прямых отрезков, кибернетические системы могут
воспроизводить сложную конфигурацию.
Первый эскизный вариант составляется для элементов внутреннего и
внешнего соединений: контактных площадок, проводниковых связей,
соединяющих области расположения элементов схемы (резисторов,
конденсаторов, навесных элементов); затем размещаются конденсаторы и
резисторы, площади которых известны. Резистивные элементы занимают
наибольшую площадь подложки, область под отдельный резистор по
площади должна быть пропорциональна коэффициенту формы резистора.
Элементы
проводниковой
связи
и
контактные
площадки
предпочтительнее выполнять в системе прямоугольных координат Г, Т, L и
П-образной формы.
Примеры начертания элементов принципиальной схемы и пленочной
структуры в эскизных набросках микросхем приводятся в табл. 3. 7.
47
Таблица 3. 7
Примеры начертания элементов принципиальной схемы и пленочной структуры
эскизных набросках микросхем
Элементы принципиальной схемы
и пленочной структуры
Условное изображение
Резистивная связь
(резистивное ребро графа)
Емкостная связь (емкостное ребро графа)
Шины питания, наложенные друг
на друга
Диэлектрическая пленка,
разделяющая проводящие пленки
Перекрещивание типа пленка над
пленкой
Перекрещивание навесного проводника 1
пленкой 2
Навесной микротранзистор
Навесной микродиод или
диодная матрица
Место пленочных элементов
Контактная площадка для внутренних
соединений
Контактная площадка для внешних
соединений
48
в
Распределение пленочных элементов в плоскости должно быть
равномерно насыщенным, т. е. в топологической структуре микросхемы не
должно быть мест явной скученности или разрозненности элементов.
Минимальные зазоры между элементами должны быть одинаковыми, т. е. не
слишком узкими и не слишком широкими; размер широкого зазора не должен
превышать размера узкого зазора более чем вдвое. Линии контура элементов
должны быть предельно простыми. Излишки площади на подложке должны
использоваться для улучшения технических харак-теристик и снижения
чувствительности топологической структуры гибрид-ной ИМС к
несовершенству технологии ее изготовления.
Это достигается путем увеличения контактных площадок и зазоров
между элементами, упрощения формы элементов и т. д.
При наличии в принципиальной электрической схеме взаимно шунтирующих друг друга элементов R и С и при отсутствии возможности
контролировать каждый элемент в отдельности в топологической структуре
предусматриваются разрывы, которые после контроля перекрываются
каплями припоя, перемычками или проводящими смолами.
Для навесных элементов, т. е. для бескорпусных транзисторов,
конденсаторов и других, располагаемых на свободных от пленочных
элементов местах подложки, делаются метки, обозначающие расположение
(приклейку) этих элементов на подложке. Форма, меток может повторять
форму соответствующих микроэлементов, а ее ориентация должна соответствовать топологической структуре микросхемы.
Размеры на чертеже слоя проставляют в системе прямоугольных
координат х и у, проводя абсциссы и ординаты через соответствующие
элементы контуров, составляющих рисунок слоя. Против каждой ординаты и
абсциссы ставится число, обозначающее расстояние в миллиметрах от
начальной нулевой координаты. Место расположения нулевой координаты
является ключом к ориентации слоев относительно друг друга.
Контуры и размеры диэлектрической пленки для данного конденсатора
или группы конденсаторов можно не ограничивать определенными
размерами. Иначе говоря, диэлектрический слой может покрывать также
требующие защиты пленочные элементы. При этом возможно одним
трафаретом наносить диэлектрический слой пленки конденсаторов и
защитный слой всей микросхемы.
49
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Фенькова, Н. Б. Технология микросхем и микропроцессоров.
Конструирование и технология интегральных микросхем: Учеб.
пособие / Н. Б. Фенькова, Т. Н. Патрушева, О. В. Семенова. Красноярск:
ИПЦ КГТУ, 2005. 298 с.
2. Пасынков, В. В. Материалы электронной техники: Учеб. для студ.
вузов. 2-е изд., перераб. и доп. / В. В. Пасынков, В. С. Сорокин. М.:
Высш. шк., 1986. 367 с.
3. Готра, З. Ю. Технологические основы гибридных интегральных схем /
З. Ю. Готра, Э. М. Мушкарден, Л. М. Смеркло. Львов: Вища шк. Изд-во
при Львов. ун – те, 1977. 168 с.
4. Ефимов, И. Е. Микроэлектроника. Физические и технологические
основы, надежность: Учеб. пособие для приборостроит. спец. вузов. 2-е
изд., перераб. и доп. / И. Е. Ефимов, И. Я. Козырь, Ю. И. Горбунов. М.:
Высш. шк., 1986. 464 с.
5. Ермолаев, Ю. П. Конструкции и технология микросхем / Ю.П.
Ермолаев, М. Ф. Пономарев, Ю. Г. Крюков. М.: Советское радио, 1980.
237 с.
6. Николаев, И. М. Микроэлектронные устройства и основы их
проектирования / И. М. Николаев, Н. А. Филинюк. М.: Энергия, 1979.
271 с.
7. Росадо, Л. Физическая электроника и микроэлектроника / Под ред. В.
А. Терехова. М.: Высшая школа, 1991. 277 с.
8. Березин А. С. Технология и конструирование интегральных микросхем
/ А. С. Березин, О. Р. Мочалкина. М.: Радио и связь, 1963. 227с.
9. Романычева Э. Т. Разработка и оформление конструкторской
документации радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Э. Т.
Романычева, А.К.Иванова, А.С.Тупиков и др. Э.Т.Романычевой. М.:
Радио и связь, 1989. 198 с.
50
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
2. РАЗРАБОТКА И ОФОРМЛЕНИЕ КОНСТРУКТОРСКОЙ
ДОКУМЕНТАЦИИ ПО ИЗГОТОВЛЕНИЮ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ
ГИБРИДНЫХ МИКРОСХЕМ (ГИС)
3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ГИБРИДНЫХ
МИКРОСХЕМ (ГИС)
3.1. Конструирование и расчет элементов ГИС
3.1.1. Конструирование и расчет пленочных резисторов
3.1.2. Конструирование и расчет пленочных конденсаторов
3.1.3. Конструирование и расчет пленочных индуктивностей
3.1.4. Расчет пленочных проводников и контактных площадок
3.2. Проектирование топологии ГИС
3.2.1. Особенности топологии и этапы её разработки
3.2.2. Компоновка топологической структуры ГИС
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Приложение А
Приложение Б
Приложение В
Приложение Г
3
8
13
13
23
33
35
40
47
50
52
63
65
67
51
Приложение А
Пример топологического проектирования ГИС
частного применения
Основанием для проектирования ГИС служит частное техническое задание
на разработку формирователя затухающих колебаний. При этом исходными
данными является:
1. Схема электрическая принципиальная формирователя затухающих
колебаний (рис. П А.1) и перечень элементов (табл. П А.1).
Рис. П. А.1. Схема электрическая принципиальная
формирователя затухающих колебаний
52
Табл. П А.1
Перечень элементов
Позиционное
обозначение
Наименование
Конденсаторы
Количество
С1
0,25 мкФ ±10%
1
С2-С4
0,01 мкФ ±10%
3
Резисторы
R1, R2
10 кОм ±10%
2
R3
2 Мом ±10%
1
R4
100 кОм ±10%
1
R5
12 кОм ±10%
1
R6
1,8 Мом ±10%
1
R7
10 кОм ±10%
1
Транзисторы
VT1
МП 25
1
VT2-VT5
П403
4
2. Условия эксплуатации: температура окружающей среды – 20 – + 50 оС.
3. Предполагаемая длительность работы – 10000 ч.
Расчет тонкопленочных резисторов.
К пленочным резисторам предъявляются следующие основные
требования: стабильность во времени, малая занимаемая площадь на
подложке, низкий температурный коэффициент сопротивления, требуемая
мощность рассеяния, низкий уровень шумов, малые значения паразитных
параметров.
Исходные данные для расчета резисторов приведены в табл. П А.2.
53
Табл. П А.2
Исходные данные для расчета резисторов
Отн.
Схемное Номипогр-ть
№ обозначе нал, R,
номиние
кОм
нала, γR
1
2
R1
R2
3
R3
4
5
R4
R5
6
R6
7
R7
10
10
навесн
ой
100
12
навесн
ой
10
0,15
Мак.
мощность
рассеи
ваемая
P, Вт
Мак.
раб.
темп.
tmax,
ºC
0,0081
50
Абс
Отн.
погр-ть
Предпогр-ть
геом.
полаг.
сопропарадлит.
тивлеметров
pаботы,
ния,
Δl, Δb,
ч
γρ0
м
10000
0,05
10-5
Таким образом, резисторы R3 и R6 – навесные.
Выбираем сплав Кермет К50-С с параметрами:
• удельное поверхностное сопротивление ρо=10 кОм/□;
• удельная мощность рассеяния Ро=2 Вт/см2=2·104Вт/м2;
• температурный коэффициент сопротивления αR= 1·10-4Гр-1.
γRt = αR(tmax – 20 °C) = 0,0001 ( 50 – 20 ) = 0,003;
γкфдоп = γR – γρ0 – γRст – γRt – γRк ,
где γRст = 0,01 – погрешность, обусловленная старением пленки; γRк = 0,02 –
погрешность переходных сопротивлений контактов;
γкфдоп = 0,15 – 0,05 – 0,01 – 0,003 – 0,02 = 0,067.
R1 = R2 = R7 = 10 кОм.
Вычисляем коэффициент формы:
Кф = R/ρо = 10000/10000 = 1.
54
Определяем расчетную ширину резистора:
bp = (P·ρo/Po ·R)1/2;
bp = 6.364· 10-4
bto = (∆b+∆l/Kф)/ γKфдоп;
bto = 2.985 ·10-4
Выбираем максимальную ширину резистора и с учетом округления
получаем:
b=0,65 мм.
Расчетная длина резистора равна:
lрасч = b·Кф = 0,6·1 = 0.65 мм;
с учетом округления lрасч = 0,6 мм.
Полная длина резистора равна:
lполн = 0,65 + 2·0,1 = 0,85 мм.
Площадь резистора равна:
S = lполн·b = 0,85·0,6 = 0,51 мм2.
R4 = 100 кОм.
Вычисляем коэффициент формы:
Кф = R/ρ0 = 100000/10000 = 10.
Определяем расчетную ширину резистора:
bp = (P·ρo/Po ·R)1/2;
55
bp = 2.012· 10-4
bto = (∆b+∆l/Kф)/ γKфдоп;
bto = 1.642 ·10-4
Выбираем максимальную ширину резистора и с учетом округления
получаем:
b=0,2 мм.
Расчетная длина резистора равна:
lрасч = b·Кф = 0,2·10 = 2 мм;
с учетом округления lрасч = 2 мм.
Полная длина резистора равна:
lполн = 2 + 2·0,1 = 2,2 мм.
Площадь резистора равна:
S = lполн·b = 2,2 ·0,6 = 1,32 мм2.
R5 = 12 кОм.
Вычисляем коэффициент формы:
Кф = R/ρо = 12000/10000 = 1,2.
Определяем расчетную ширину резистора:
bp = (P·ρo/Po ·R)1/2;
bp = 5.809· 10-4
bto = (∆b+∆l/Kф)/ γKфдоп;
56
bto = 2.736 ·10-4
Выбираем максимальную ширину резистора и с учетом округления
получаем:
b=0,6 мм.
Расчетная длина резистора равна:
lрасч = b·Кф = 0,6·1,2 = 0,72 мм.
Полная длина резистора равна:
lполн = 0,72 + 2·0,1 = 0,92 мм.
Площадь резистора равна:
S = lполн·b = 0,92 ·0,6 = 0,5 мм2.
Результаты расчетов представлены в табл. П А.3.
Табл. П А.3
Результаты расчетов резисторов
Схемное Номиобозна- нал, R,
чение
кОм
R1
R2
10
R7
R4
100
R5
12
Материал
Кермет
К50-С
ρ0,
Ом/□
Кф
b, мм
l, мм
S, мм2
1
0,65
0,85
0,51
10
1,2
0,2
0,6
2,2
0,92
1,32
0,5
10000
Расчет тонкопленочных конденсаторов. К материалу обкладок пленочного конденсатора предъявляются требования:
высокая электропроводность, обеспечивающая малые потери энергии, хорошая
адгезия, малая миграционная подвижность атомов. Диэлектрик, применяемый в
тонкопленочных конденсаторах, должен обладать малыми диэлектрическими
потерями, высокой электрической прочностью, хорошей адгезией к подожке и к
57
обкладкам, малым ТКЕ, стабильностью физических параметров в диапазоне
рабочих температур, высокой диэлектрической проницаемостью.
Исходные данные для расчета конденсаторов приведены в табл. А.4.
Табл. П А.4
Ном
Схем.
иобознал
начеС,
ние
пФ
С1
С2С4
2500
0
1000
0
Отн.
погрсть
номин
ала, γС
Мак.
Отн.
Мак. Пред.д
рабоче
погрлит.
раб.
е
ть уд.
темп. рабонапряемкост
ты,
tmax,
жение
и,
ºC
ч
U, В
γС0
0,2
9
50
10000
Абс. пог-ть
геом. пар-ов
Δl, Δb, м
Исходные данные для расчета конденсаторов
0,05
10-5
q, м
f, м
-5
2⋅10-5 10
Выбираем материал диэлектрика – монооксид кремния, материал обкладок
– алюминий.
Монооксид кремния имеет следующие параметры:
• диэлектрическая проницаемость на частоте 1 кГц ε = 5;
• тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 1 кГц tg δ = 0,01;
• электрическая прочность Е=2⋅106 В/см;
• ТКЕ=2⋅10-4 Гр-1;
• Удельная емкость С0 = 5000 пФ/см2.
С = 10000 пФ.
Сmax / Cmin = 2.5 ≤ 100.
Рассчитаем первоначальную площадь:
S = C/C0 = 25000/5000 = 5 см2 = 500 мм2.
Найдем минимальную толщину диэлектрика d:
d≥
Up⋅ Ke
E
где d = 0,1 мкм.
Находим удельную ёмкость
электрической прочности:
d = 9⋅10-6см = 0,09 мкм,
Сou
для
обеспечения
Сou = (ε0 · ε) / d = 44250 пФ/см2 = 442,5 пФ/мм2.
Определим γСt, γS и С0точн:
58
необходимой
γСt = 2⋅10-4 (50–20) = 0,006 = 0,6 %;
γS = γС – γС0 – γСст – γСt = 0,2 – 0,05 – 0,01 – 0,006 = 0,13 = 13%;
Соточн = 104 (0,13/0,01)2 · (0,5)2 = 36 · 104 пФ/мм2.
Выбираем меньшее:
Откуда
Со = 44250 пФ/см2.
d = 1·10-5.
Далее рассчитываем площадь верхней обкладки С1:
SВ = С / С0 = 10000 / 442,5 = 22,6 мм2.
Размеры верхней обкладки:
LB = BB =
22, 6
= 4,75 мм.
Размеры нижней обкладки:
LН = ВН = LВ + 2q = 4,75 + 0,4 = 5,15 мм.
Размеры диэлектрика равны:
LД = ВД = LН + 2f = 5,15 + 0,2 = 5,35 мм.
Площадь конденсатора равна:
SД = 5,352 = 28,62 мм2.
Проверка:
Ераб = U / d = 9/9⋅10-6 = 1⋅106 В/м < 108 В/м.
С 1= 25000 пФ.
Рассчитываем площадь верхней обкладки С2:
SВ = С/С0 = 25000/442,5 = 56,5 мм2.
Размеры верхней обкладки:
LB = BB =
56.5
= 7,5 мм.
Размеры нижней обкладки:
LН = ВН = LВ + 2q = 4,75 + 0,4 = 7,9 мм.
Размеры диэлектрика равны:
LД = ВД = LН + 2f = 5,15 + 0,2 = 8,1 мм.
Площадь конденсатора равна:
SД = 5,352 = 65,6 мм2.
59
Проверка:
Ераб = U/d = 9/9⋅10-6 = 1⋅106 В/м < 108 В/м.
С2 = 10000 пФ.
Результаты расчетов представлены в табл. П А.5.
Табл. П А.5
Результаты расчетов конденсаторов Схемное
Материал
Номина
обозначен
диэлектри
л, С, пФ
ие
ка
С1
Материа
л
обкладок
25000
C2-С4
10000
Моноокси
д кремния
Алюмин
ий
LВ,
мм
SВ,
мм
2
LН,
мм
SН,
мм2
LД,
мм
SД,
мм
2
7,5
56,
5
7,9
62,4
1
8,1
65,
6
4,7
5
22,
6
5,1
5
26,5
5,3
5
28,
6
Выбор типов и типоразмеров навесных элементов.
В
схеме
формирователя
затухающих
колебаний
используются
следующие типы активных элементов: транзисторы МП25 и П403.
Выбираем
их
бескорпусные,
аналоги
исходя
из
электрических
параметров.
Электрические параметры транзисторов приведены в табл. П А.6:
Табл. П А.6
Электрические параметры транзисторов Тип
транзистора
МП25
П403
IКmax, мА
PКmax, мВт
UКЭ, В
h21Э
20
20
15
50-100
20
100
30
20-100
60
По этим данным выбираем бескорпусные аналоги этих транзисторов.
Аналог МП25 – КП331А.
Аналог П403 – 2П201А.
В схеме также используются навесные резисторы (R3 и R6), типа С3-3.
Типоразмеры бескорпусных транзисторов и навесных резисторов
приведены на рис. П А.2.
Рис. П А.2. Типоразмеры бескорпусных транзисторов
и навесных резисторов
61
Расчет площади подложки микросхемы.
Площадь подложки проектируемой ГИС вычисляется по формуле:
SП = КЗ(SΣR + SΣС + SΣНЭ + nSКП),
где КЗ – коэффициент использования площади подложки (2–3);
SΣR – суммарная площадь всех тонкопленочных резисторов;
SΣС – суммарная площадь всех тонкопленочных конденсаторов;
SΣНЭ – суммарная площадь всех навесных элементов;
SКП – площадь одной контактной площадки;
n – количество контактных площадок.
SΣR = 0,51*3 + 1,32 + 0,5 = 3,35 мм2;
SΣС = 65,6 + 28,6*3 = 151,4 мм2;
SΣНЭ = 5,52*2 + 3*5 = 26,04 мм2;
nSКП = 6*12 = 6 мм2;
Таким образом, площадь подложки равна:
SП = 2(3,35 + 151,4 + 26,04 + 6) = 373,5 мм2.
Исходя из найденной площади, выбираем стандартный типоразмер
подложки:
20×24 (480 мм2).
62
Приложение Б
Пример топологического чертежа
Лист совмещённой топологии микросхемы
63
Окончание прил. Б
64
Приложение В
Пример топологического чертежа
Чертёж одного слоя микросхемы
65
Окончание прил. В
66
Приложение Г
Пример сборочного чертежа микросхемы
67
Окончание прил. Г
68
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
33
Размер файла
1 827 Кб
Теги
601, напра, практикум, микросхема, элементов, лаб, проектирование, студентов
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа