Проектирование гибридных микросхем

Размещено на http://allbest.ru

Казанский научно-исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева

Кафедра «Конструирования и производства микроэлектронной аппаратуры»

Курсовой проект

По курсу «проектирование интегральных микросхем»

Проектирование гибридных микросхем

Выполнил: студент гр.5453

Багаутдинов Л.Р.

Руководитель: доцент кафедры КиПМЭА

Кутлин Н.Х.

Казань 2013 г.



Оглавление

Введение

1. Выбор метода

2. Расчет и проектирование пленочных резисторов

3. Алгоритм подсчета прецизионного резистора

4. Расчет геометрических расчетов контактных переходов

5. Расчет пленочного конденсатора

6. Определение размеров подложки

Заключение

Литература

микросхема плата резистор конденсатор



Введение

Интегральная микросхема (ИМС) - это конструктивно законченное изделие электронной технике, выполняющее определенную функцию преобразования функции и содержащее совокупность электрически связанных между собой электрорадиоэлементов (ЭРЭ), изготовленных в едином технологическом цикле.

По способу изготовления различают полупроводниковые и плёночные ИМС.

В полупроводниковых ИМС все ЭРЭ и часть межсоединений сформированы в приповерностом слое полупроводниковой подложки.

В пленочных ИМС пассивные ЭРЭ изготовлены в виде совокупности тонких ( менее 1 мкм) или толстых ( 10-50 мкм) пленок, нанесенных на диэлектрическую подложку. Гибридные ИМС ( ГИС) представляют собой комбинацию пленочных пассивных ЭРЭ с миниатюрным бескорпусыми дискретными, активными ( полупроводниковые ИМС, транзисторами , диодами) расположенных на общей диэлектрической подложке. ЭРЭ, которые являются неотъемлемой составной частью ИМС и не могут быть выделены из нее как самостоятельное изделие, называют элементами ИМС, а дискретные активные ЭРЭ ГИС- навесными компонентами (или просто компонентами), подчеркивая тем самым, что их изготавливают отдельно виде самостоятельных приборов, которые могут быть приобретены изготовлением ГИС как покупные изделия. В отличие от дискретных компонентов элементы ИМС называют интегральными ( интегральный резистор, интегральный диод).

В совмещенных ИМС активные ЭРЭ выполнены в приповерхностном слое полупроводникового кристалла ( как у полупроводниковой ИМС), а пассивные нанесены в виде пленок на покрытую диэлектриком поверхность того же кристалла ( как у пленочного ИМС).

Перечислим особенности ИМС как нового типа изделий электронной технике:

- ИМС самостоятельно выполняет законченную , часто довольно сложную функцию. Она может быть усилителем, запоминающем устройством, генератором, детектором и т.д. ни один из ЭРЭ самостоятельно таких функций выполнять не может, для этого его следует соединить с другими дискретными ЭРЭ по отдельной схеме.

- выпуск и применение ИМС сопровождаются существенным уменьшением массы, габаритов, стоимости и повышения надежности

- Элемента ИМС располагаются в пределах одной подложки на сравнительно небольших расстояниях друг от друга и формируются одновременно, это обуславливается малый технологический разброс их параметров. Особенно высокая точность выполнения параметров нескольких элементов (например, отношения сопротивлений). Эта точность сохраняется при изменении температуры окружающей среды, так как все элементы ИМС работают практически при одной температуре и термические коэффициенты параметров элементов одной и той же ИМС приблизительно одинаковы. Эту особенность ИМС часто используют при создании устройств, мало чувствительных к влиянию технологического разброса параметров элементов и к изменению температуры.

- при разработке полупроводниковых ИМС стремятся выбрать схемные решения с минимальным числом пассивных элементов. Резисторы и конденсаторы занимают значительную площадь ИМС, технологические возможности создания этих элементов с достаточной точностью в широком диапазоне номиналов ограничены.



1. Выбор метода

Для формирования конфигураций проводящего , резистивного и диэлектрических слоев используют различные методы:

масочный - соответствующие материалы напыляют на подложку через съемные маски;

фотолитографический - плёнку наносят на всю поверхность подложки, а затем вытравливают с определенных участков;

электронное - некоторые участки пленки удаляют по заданной программе с подложки испарением под воздействием электронного луча;

лазерный - аналогичен электроннолучевому, только вместо электронного применяют луч лазерный. Наиболее распространение получили два первых способа, а также комбинированный метод.

Масочный метод. При масочном методе рекомендуется такая последовательность формирования слоев для изготовления ГИС, содержащих резисторы, проводники, пересечение пленочных проводников, конденсаторов.

Напыление:

1. резисторов

2. проводников и контактных площадок

3. межслойной изоляции

4. проводников

5. нижних обкладок конденсатора

6. диэлектрика

7. верхних обкладок конденсатора

8. защитного слоя.

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

1) напыление материала резистивной пленки, напыление материала проводящей пленки, фотолитография проводящего слоя, нанесение защитного слоя.

2) после проведения первых двух операций - фотолитография проводящего и резистивного слоёв, фотолитография проводящего слоя, нанесение защитного слоя.

При производстве микросхем, содержащих проводники резисторы из двух разных резистивных материалов, рекомендуется такая последовательность операций; нанесение пленки первого резистивного материала, нанесение второго резистивного материала, нанесение материала проводящей пленки, фотолитография первого резистивного слоя, нанесение защитного слоя. Комбинированный масочный и фотолитографический метод. При совмещении масочного и фотолитографического методов для микросхем, содержащих резисторы, проводники, конденсаторы, используют два варианта технологии:

1.напыление резисторов через маску; напыление проводящей пленки на резистивную; фотолитография проводящего слоя; поочередное нанесение через маску нижних обкладок, диэлектрика и верхних обкладок конденсаторов; нанесение защитного слоя.

2.напыление резистивной пленки; напыление проводящей пленки на резистивную; фотолитография проводящего слоя; напыление через маску нижних обкладок, диэлектрика и верхних обкладок конденсаторов; нанесение защитного слоя. Выбираем метод фотолитографии.

2. Расчет и проектирование плёночных резисторов

Запишем номиналы резисторов в таблицу 1. Пленочные резисторы представляют собой полоску резистивной пленки «1», снабженную пленочными контактами 2 (рис.1)



Таблица 1. Номиналы резисторов

Элементы	Номиналы. кОМ
R1	7
R2	24
R3	7
R4	10
R5	2,3
R6	2,5
R7	10
R8	24
R9	7

Рис. 1. Пленочный резистор: 1 - резистивная плёнка; 2 - плёночный проводник; 3 - области контактов

1. Для оценки возможности реализации всех резисторов на основе использования одного материала резистивной плёнки определим отношение и в данном функциональном узле и если , то для реализации всех резисторов используется один материал резистивной пленки:

Условие выполняется.

Производим выбор материала резистивной пленки. Критерием выбора материала является оптимальное значение с, максимальное значение , минимальное значение . Определим :



Округляем полученные значение , до табличных значений 10000 Ом. По данным таблицы 3.1 «Параметры материалов тонкопленочных резисторов» выбираем материал резистивной пленки с удельным сопротивлением ближайшим по значению к расчетной

Таблица 2. Параметры материалов тонкоплёночных резисторов

материал	Сопротивление квадрату резистивной плёнки, S Ом	ТКС (R)10-4С в интервале температур, С	Погрешность старения плёнки,	Максимально допустимая удельная мощность рассеяния Р0, Вт\см2
Для напыления плёнки	Контактных площадок		от -60 до +25	от +25 до +125	за 1000ч при t=85С	за 5000ч в нормал условиях	2
Кермет К-50С	Золото с подслоем хрома	10000	-4	-4	0,1	0,3	2

2. Определим конструкцию резисторов по значению коэффициента формы

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

3. Делим все резисторы на 2 группы:

Таблица 3. Виды резисторов

, высокоомные	, низкоомные
1)	1)
2)	2)
3)	3)
4)	4)
	5)

4. Определим допустимые геометрические размеры пленочных резисторов:

5. К_ф1 высокоомные:

По данным таблицы 3 « Погрешности воспроизведения геометрических размеров пассивных элементов» выбираем тип метода изготовления:



Таблица 4. Погрешности воспроизведения геометрических размеров пассивных элементов

Технология изготовления пассивной части ГИС	Среднеквадратическое отклонение размеров проводников одного слоя	Среднеквадратическое отклонение ширины резистивных пленок	Относительное квадратичное отклонение сопротивления квадрата резистивной пленки
Метод фотолитографии	0,003 - 0,007	0,002 - 0,005	0,02 - 0,05

Где Рвых (ФУ) = 0,6;

m = 49;

n = 9;

По данным таблицы 4 « Интеграл ошибок»

Определим геометрические размеры пленочного резистора R2 исходя из требуемой точности:



Определим допустимые геометрические размеры пленочного резистора R2 с точки зрения рассеиваемой мощности:

Определим допустимые геометрические размеры пленочного резистора R2 с точки зрения технологического процесса:

Выберем расчетную ширину как максимальное значение:

b_расi=max

b_рас2=0,057 мм

Расчет остальных резисторов аналогичен и деле не приводится. Результаты расчета всех резисторов данной группы сведены в таблицу 5.

Таблица 5. Расчет резисторов

Ri	с,кОм	Кфi	bmin(Pk),мм	bmin(уR),мм	bmin(Т.П.),мм	bрасч,мм	Lрасч,мм
R2	10	2,4	0,0012	0,057	0,05	0,057	0,1368
R4	10	1	0,041	0,0856	0,05	0,0856	0,0856
R7	10	1	0,041	0,0856	0,05	0,0856	0,0856
R8	10	2,4	0,0012	0,057	0,05	0,057	0,1368



К_ф1 низкоомные:

Определим геометрические размеры пленочного резистора R1 исходя из требуемой точности:

Определим допустимые геометрические размеры пленочного резистора R1 с точки зрения рассеиваемой мощности:

Определим допустимые геометрические размеры пленочного резистора R1 с точки зрения технологического процесса:

Выберем расчетную длину как максимальное значение:

Расчет остальных резисторов аналогичен и деле не приводится. Результаты расчета всех резисторов данной группы сведены в таблицу 5.

Таблица 6. Расчет резисторов

Ri	с,кОм	Кфi	Lmin(Pk),мм	Lmin(уR),мм	Lmin(Т.П.),мм	Lрасч,мм	bрасч,мм
R1	10	0,7	0,0779	0,07924	0,05	0,07924	0,1132
R3	10	0,7	0,0779	0,07924	0,05	0,07924	0,1132
R5	10	0,23	0,0706	0,00089	0,05	0,0706	0,306
R6	10	0,25	0,0708	0,0317	0,05	0,0708	0,283
R9	10	0,7	0,0779	0,07924	0,05	0,07924	0,1132

3. Алгоритм подсчета прецизионного резистора

При проектировании плёночных резисторов повышенной точности применяются специальные конструкции, допускающие дискретную подгонку сопротивлений.

Рис. 2. Пленочный резистор

Конструкция резисторов для ступенчатой подгонки предусматривает две части: основную длиной l₀ и дополнительную с подгоночными секциями длиной l_c.При этом шаг подгонки может быть постоянным и переменным. Дискретное изменение сопротивление сопротивления осуществляется удалением металлических перемычек в подгонных секциях. Проектирование подгоняемых резисторов сводится к определению длин основной и подгоночных секций, а также количества подгоночных секций с учетом того факта, что в процессе подгонки сопротивления резистора может изменяться только лишь в одну сторону возрастания.

Расчет будем производить для самого высокономинального резистора схемы.

Таблица 7. Исходные данные

max значение резистора	R2=24000 Ом
Допуск на номинальное сопротивление
Технологический разброс
Сопротивление квадрата резистивной плёнки
Ширина резистора	bрас= 0,057 мм

1.Определим значение сопротивления не подгоняемой части резистора, а затем её длину по соотношению:

1) сопротивление не подгоняемой части:

2) Найдем длину не подгоняемой части:

Найденное таким образом должно удовлетворять условию:



Условие выполняется.

2.Определим сопротивление одной секции, а затем ее длину по соотношению:

1)Сопротивление одной секции:

?R= 24000*0,02/(1+3*0,016)=458 Ом;

2)Длину одной секции:

Найденное таким образом l должно удовлетворять условию:

Условие не выполняется, необходимо изменить материал:

Выбираем материал Нихром ГОСТ 12766-67 с подходящим сопротивлением квадрата резистивной пленки 200 Ом.

Условие выполняется

3.Определим число подгоняемых секций:

Ом

4.Определяем число секций, которое округляется до ближайшего числа:

5.Определяем длину подгоняемых секций:

?l1=1*?l=0,065 мм

?l2=2*?l1=0,130 мм

?l3=2*?l2 =0,26 мм

4. Расчет геометрических расчетов контактных переходов

Контакты между пленочными элементами выполняются двумя основными методами:

1.После напыления резистивной пленки схема перемещается из одной вакуумной установки в другу. При этом за счет контакта с кислородом атмосферы происходит образование на поверхности резистивной плёнки окисной плёнки.

2.Напыление контактных участков без съёма вакуума между операциями напыления контактной пары. В этом случае окисление поверхности происходит лишь за счет остаточного кислорода в вакуумной установке и в силу этого переходное сопротивление в этом случае несравненно ниже, чем в первом. Для характеристики сопротивления контактной пары вводится понятие удельного переходного сопротивления контактной зоны на единицу площади перекрытия плёнок, обозначаемое далее R*[ Ом*мм].

Наличие окисной плёнки на поверхности резистивной пленки приводит к появлению не металлического контакта через оксидную пленку. При этом имеет место два основных механизма проводимости в контактной паре:

- прямое туннелирование из одного металла в другой;

-термоэлектронная эмиссия Шоттки через потенциальный барьер металл-диэлектрик-металл.

Для определения переходного сопротивления и размеров контактной области рассмотрим простейшую одномерную модель контактного перехода между резистивной плёнкой толщиной и шириной b,перекрываемой проводящей пленкой по длине l*.

Рис. 3. Сопротивление

Таблица 8. Исходные данные

min значение сопротивление резистора	R5=2300 Ом
Допуск на номинальное сопротивление
Рабочий диапазон температур	-60ч+60 (120°С)
max удельная мощность рассеивания
Ширина резистора
Сопротивление квадрата резистивной пленки



1.Определим минимально возможно значение переходного сопротивления для самого низкономинального резистора R*- определяется выбранной технологией изготовления резисторов и лежит в пределах R*=0,010,1 Ом для процесса без съема вакуума.

Найденное таким образом должно удовлетворять условию:

По условию 1,42%4,699% условие выполняется.

2)Определим необходимое значение длины перекрытия резистивной пленки и проводящей пленок согласно:

нереализуемая величина, значит берем

Определим мощность рассеивания:



Найденное таким образом должно удовлетворять условию:

удельная мощность рассеивания данного резистивного материала.

Условие теплоотвода выполняется.

5. Расчет пленочного конденсатора

В ГИС применяются пленочные конденсаторы различной конфигурации. Выбирая сведущую конструкцию конденсатора, которая показана ан рис.4

Рис.4. Компенсатор

Пленочные конденсаторы типа представляют собой многослойную структуру, нанесенную на диэлектрическую подложку в следующей последовательности: проводящий слой 1, выполняющий роль нижней обкладки; слой диэлектрика 2 и проводящий слой 3, выполняющий роль верхней обкладки конденсатора.

Таблица 9. Исходные данные

номинальное значение емкости	500 пФ
допуск на емкость	±15%
рабочее напряжение	6,9 В
диапазон рабочих частот	2 МГц

Вариант реализации на рис.4 . Конструкция, в которую контур верхней обкладки вписывается в контур нижней обкладки, предназначена для реализации конденсаторов повышенной емкости. Её особенностью является то, что не совмещение контуров обкладок не сказывается на точности реализации в силу наличия компенсатора. Кроме того, распространение диэлектрика за контур нижней обкладки гарантирует надежную изоляцию обкладок при их предельном не совмещении.

По заданной технологии и данным таблицы 7 «Характеристики материалов пленочных конденсаторов» выбираем материал диэлектрика. Критерием выбора являются max значения и min значение ТКС и tg.

Таблица 10/ Материалы диэлектрических пленок и их электрофизические характеристики

Материал диэлектрика	Материал обкладок	Диэл. проницаемость на частоте	Удельная емкость,	Тангенс угла диэл. gотерь на частоте	Температурный коэф. Емкости	Электрическая прочность, Ео·10,
		1 кГц, ...	пФ/см2.	1 кГц, tg	ТКС·10-4,	В/см
					град
Моноокись кремния	Алюминий	5 - 6	5000 - 10000	0.01 - 0.02	2-3,5	2 - 3

Из условия обеспечения электрической прочности определим min толщину диэлектрика.

Значение d_min должно находится в пределах 0,2-0,8 мкм, то округлим d_min=0,069 до 0,2 мкм.

Согласно соотношению:

Определим значение удельной ёмкости, при котором обеспечивается электрическая прочность конденсатора.

Найденное должно удовлетворять условию:

Условие не выполняется, необходимо увеличить d_min, d_min=0,6 мкм.

Условие выполняется.

2.В зависимости от требуемых значений С выбирают конструкцию и форму конденсатора К_ф=1, так как имеет место минимум погрешности площади перекрытия, то как правило А=В

3.Определим величину , обеспечивающая заданную точность, и далее проверяем выполнение условий:

Найденное таким образом , должно удовлетворять условию:

Условие не выполняется.

Для выполнения условия придется повысить Аmin до 0,25см (Аmin=2,5мм)

8 000 пФ/смІ < 10 000 пФ/смІ

Условие выполняется.

4. С учетом погрешности совмещения масок определим размеры нижней обкладки и диэлектрического слоя соответственно по выражениям:

Погрешность перекрытия нижней и верхней обкладок q=0,2 мм;

Аґ=Вґ=2,5 мм+ 2•0,2мм=2,9мм;

Аґ- размер нижней обкладки

Аґґ=Вґґ= Аґ+ 2 q=2,9мм + 0,4 мм= 3,3 мм



Аґґ- размер диэлектрического слоя;

5.Определим потери в обкладках конденсатора. С учетом потерь в диэлектрике определяются суммарные потери в конденсаторе и согласно

определяется реальная величина добротности.

6. Определение размеров подложки

Для ориентировочного расчета размеров подложки необходимо подсчитать площадь, занимаемую элементами схемы. Как показывает опыт, площадь подложки должна быть в 1,5 - 2 раза больше площади, занимаемой всеми элементами. Это диктуется необходимостью наличия технологической зоны по краям подложки, зазоров между элементами, соединительных пленочных проводников.

Общая площадь подложки равна:

эSR1=l1•b1=0,07924•0,1132=0,00897

SR2=l2•b2=0,057•0,1368=0,007798

SR3=l3•b3=0,07924•0,1132=0,00897

SR4=l4•b4=0,0856•0,0856=0,007327

SR5=l5•b5=0,0706•0,306=0,021604

SR6=l6•b6=0,0708•0,283=0,020036

SR7=l7•b7=0,0856•0,0856=0,007327

SR8=l8•b8=0,057•0,1368=0,007798

SR9=l9•b9=0,07924•0,1132=0,00897

Найдем площадь, занимаемую прецизионным резистором:

Sпр=Sнч +S1+S2+S3+S4;

Sпр=0,165 мм•0,057мм + (0,065+0,13+0,26+0,52)•0,057мм=0,06498ммІ

=0,0988+0,06498=0,16378ммІ

SCплен=(Aґ)І=(2,9мм)І =8,41ммІ

SCнавес=8мм І SCi=8,41+8=16,41мм І



=mдиодов • Sдиодов + nтранз •Sтранз =1•0,9•1,1 + 5 •0,66•0,66 = 3,17 ммІ

S=3•(0,16378+16,41+1,4+3,17)=63,43134ммІ

Округлим до площади ближайшей стандартной подложки из рекомендованного ряда. Выбираем площадку 8 х 10мм (типоразмер 16)

Выбор типоразмера корпуса произведем с таким расчетом, чтобы подложка стандартных размеров с размещенными на ней элементами помещалась в выбранный корпус. Для установки данной подложки подходит металлостеклянный корпус 1203(151.15-1) Вариант исполнения - МС; Масса не более 2г. Размеры монтажной площадки - 17х8,3. Мощность рассеяния при t° = 20°C составляет 1,6. Метод герметизации корпуса АДС.



Заключение

В данном курсовом проекте рассчитаны геометрические размеры R и C с заданными параметрами: вероятностью выхода рабочих элементов , точность резисторов , точность прецизионного резистора , точность конденсатора , диапазон рабочих температур . А так же найденазанимаемая площадь элементов, и выбрана под эту площадь подложка и корпус микросхемы. Построены топологические чертежи для заданной схемы.



Литература

1. Конструирование и технология микросхем. Курсовое проектирование: Учеб. Пособие для вузов по спец. «Конструирование и производство радиоаппаратуры» и «Конструирование и производство электронно-вычислительной аппаратуры»/ Коледов Л.А., Волков В.А., Докучаев Н.Н., и др.; Под ред. Коледова. - М.:Высш.шк., 1984.231 с., ил.

2. Кутлин Н.Х. Проектирование гибридных микросхем. Учебное пособие по курсу «Проектирование интегральных микросхем» Часть 1.

3. Конструирование и расчет микросхем. Методические указания по курсовому проектированию. Казань 1980 год.

Размещено на Allbest.ru