Параметры тонкопленочных резисторов определяются свойствами применяемых резистивных материалов, толщиной резистивной пленки и условиями ее формирования. Для создания ГИС необходимы резистивные пленки с удельным поверхностным сопротивлением , от десятков до десятков тысяч Ом на квадрат. Чем меньше толщина пленок, тем выше , но одновременно повышается ТКС, а так же ухудшается временная и температурная стабильность пленок.

В качестве резистивных материалов используют чистые металлы и сплавы с высоким электрическим сопротивлением, а так же специальные резистивные материалы - керметы, которые состоят из частиц металла и диэлектрика. Широко распространены пленки хрома и тантала. Сплавы, из которых наиболее часто используют нихром, имеют большее значение по сравнению с пленками чистых металлов. На основе керметов получают высокоомные резисторы. В зависимости от содержания хрома можно получить резистивные пленки с удельным сопротивлением от сотен Ом на квадрат до десятков кОм на квадрат, обладающие высокой стабильностью. Однако в связи с тем, что свойства керметных пленок в сильной степени зависят от технологических факторов, резисторы имеют худшую воспроизводимость номиналов и больший ТКС по сравнению с металлическими.

При выборе материала резистивной плёнки, будем руководствоваться следующими критериями:

- оптимальное значение сопротивления квадрата плёнки ,

- как можно большее значение удельной рассеиваемой мощности

- как можно меньшее значение ТКС

Для нахождения оптимального значения , запишем номиналы всех имеющихся в схеме плёночных резисторов:

Проверим технологическую реализуемость всех резисторов на основе одного материала, для этого воспользуемся условием:

;

Так как условие не выполняется, т.е. на основе одного резистивного материала реализовать все резисторы нельзя, то разобьём все резисторы на две группы, внутри которых это условие выполняется:

Найдём оптимальное сопротивление квадрата резистивной плёнки для каждой группы по формуле:

Получим для первой группы , для второй группы . Исходя из найденных значений, выберем материалы резистивных плёнок:

Для резисторов первой группы воспользуемся нихромом (проволока Х20Н80), для резисторов второй группы выберем сплав РС-3001. Их характеристики представлены в таблице:

2.2 Расчёт геометрических размеров

Рис.1

Рассчитаем контактный переход для самого низкономинального резистора R₁₀ = 20 Ом, т.к. при обеспечении условия теплоотвода для этого резистора мы автоматически удовлетворим условию теплоотвода для остальных резисторов.

Расчет произведем по формуле:

R^* =0,01-0,1 Ом*мм² выберем R^*=0,01

Необходимо выбрать L^* так чтобы выполнялись условия:

1)

2)

Определим допустимую погрешность сопротивления контактного перехода:

, где

- допустимое отклонение сопротивления резистора (исходная величина);

- погрешность производства;

свойство материала;

допустимое отклонение сопротивления в связи со старением материала.

Теперь определим по формуле:

Теперь определим по формуле:

Проверим выполнения условия , 0,58 ? 0,972 , условие выполняется

Т.к. по технологии данный размер не реализуем, берем его равным 0,05[мм].

Площадь контактного перехода:

где P_R - мощность, рассеиваемая на контактном переходе.

Найдем ее, зная мощность, рассеиваемую на резисторе:

Как видно оба условия выполняются. Следовательно, данные размеры можно использовать для изготовления всех контактных переходов для резисторов.

4. Расчет геометрических размеров прецизионного резистора

Рис.2

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 подгоночных 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 сторону возрастания.

Для расчета остановимся на конструкции изображенной на рис. 3а.

Реализация его нужна в случае резистора R₄ =3000 Ом из-за очень узкого допуска на сопротивление.

Определим значение сопротивления и длины не подгоняемой части . Пусть в результате изготовления сопротивление приняло максимальное значение:

Определим кол-во секций n:

Тогда длина секций будет равна:

Получившийся размер реализуем с помощью выбранной технологии, однако подгонка резисторов сильно затрудненяется при l_c<0,2мм , поэтому примем l_c=0,2мм , скорректируем ширину секций:

Длина перемычек лежит в интервале 0,2-0,5 мм, поэтому сделаем ее равной длине секций l_п=l_с= 0,2 мм

5. Расчет и проектирование плёночного конденсатора

В схеме присутствуют два конденсатора С1 ёмкостью 1500 пФ - навесной и С2 ёмкостью 700пФ-пленочный.

В ГИС применяются пленочные конденсаторы различной конфигурации, которые можно свести к трем типовым конструкциям.

Рис.3 где К - компенсатор.

Пленочные конденсаторы типа а) и б) 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. На рис. 3в изображена конструкция гребенчатого конденсатора, емкость которой в основном определяется емкостью, обусловленной краевым эффектом и конструктивно представляющая собой две металлизированные области, нанесенные на верхней поверхности подложки.

Пленочные конденсаторы характеризуются совокупностью следующих параметров:

- C₀ - номинальное значение емкости,

- _c - допуск на емкость,

- U_p - рабочее напряжение,

- Q_c - добротность,

- R_ут - сопротивление утечки,

- температурный коэффициент ТКС,

- диапазон рабочих частот,

- интервал рабочих температур Т и так далее.

Конкретные значения этих параметров зависят от выбора используемых материалов для диэлектрика и обкладок, а также от конструктивного варианта реализации.

Конструкция (рис. 3а), в которой контур верхней обкладки вписывается в контур нижней обкладки, предназначена для реализации конденсаторов повышенной емкости (сотни и тысячи пикофарад). Ее 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.

Для конденсаторов небольшой емкости (десятки и сотни пикофарад) целесообразна конструкция (рис. 3б) в виде пересекающихся проводников одинаковой ширины, разделенных слоем диэлектрика. Емкость конденсатора данной конструкции нечувствительна к смещению обкладок.

Для реализации высокочастотных конденсаторов применяют гребенчатую конструкцию (рис. 3в), в которой обкладки расположены в одной плоскости, имеют гребенчатую форму, а диэлектрик является составным типа «подложка - воздух» либо «подложка - диэлектрическое покрытие».

С2 изготовим по варианту показанном на рис. 3б, материал для обкладок выберем алюминий А99 (с_?=0,05).

Обкладки конденсаторов должны иметь высокую проводимость, коррозийную стойкость, технологическую совместимость с материалом подложки и диэлектрика конденсатора:

ТКЛР, близкие к ТКЛР подложки и диэлектрика, хорошую адгезию к подложке и диэлектрику, высокую механическую прочность.

Наилучшим материалом для обкладок конденсаторов является алюминий, который, однако, имеет плохую адгезию к подложек. Для предотвращения отслаивания нижней обкладки вначале напыляют подслой титана или ванадия.

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

Также необходимо выбрать материал диэлектрика, исходя из значения реализуемой ёмкости, и по возможности как можно меньшими ТКС и потерями. Ёмкость конденсатора составляет 700пФ. С учётом всего вышесказанного в качестве материала диэлектрика возьмём моноокись кремния, со следующими характеристиками:

5.2 Обеспечение электрической прочности

Так же известно из задания- U_раб=15В.

Найдём минимальную толщину диэлектрика исходя из напряжения пробоя (коэффициент запаса примем ):

Рассчитаем возможность реализации конденсатора с такой толщиной. Для этого сравним материала и необходимое для реализации конденсатора с заданной толщиной:

что больше материала. Поэтому увеличим толщину диэлектрика до 0,005мм , получим

Рассчитаем добротность полученного конденсатора:

6. Выбор подложки и корпуса

Для расчёта потребной площади сведём все имеющиеся данные в таблицу:

Здесь:

- площадь одного транзистора

- площадь плёночного конденсатора

- площадь навесного конденсатора

- площадь контактной площадки

- коэффициент запаса

n - количество транзисторов

m - количество контактных площадок

Зная это и учитывая площади резисторов получим суммарную потребную площадь:

В формуле - транзисторов,

S_Ri - площади резисторов,

S_c - площади конденсаторов,

S_kj - площади контактных площадок.

Полученное значение округлим до площади ближайшей стандартной подложки из рекомендованного ряда. Рекомендованный ряд подложки имеет размер 16 х 20 мм. 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 1207 (155.15-1).

Заключение

Благополучно достигнута цель работы - была спроектирована топология гибридной интегральной микросхемы К2УС375 на основе исходных данных.

В ходе курсового проектирования были выбраны технология получения тонких пленок, тонкопленочных элементов, материал подложки, тонкопленочных резисторов, конденсаторов, проводников и контактных площадок, навесные компоненты, корпус.

Особые требования выдвигались к материалам проводников и контактных площадок. Они должны иметь малое удельное сопротивление, хорошую адгезию к подложке, высокую коррозийную стойкость.

Также в данной работе была разработана схема соединений, проведен расчет пленочных резисторов, конденсаторов, площади подложки, разработана и вычерчена топология.

Список литературы

1. Коледов Л.А., Волков В.А., Докучаев Н.Н. и др.; под ред. Л.А. Коледова «Констурирование и расчет тонкопленочных ГИС»- М.: Высш.шк., 1984.231с, ил.

2. Пьянков Б.Л. «Конструирование и расчёт микросхем», Методические указания по курсовому проектированию. Казань, 1980.

3. Н.Х. Кутлин, С.Е. Куншин «Информационные технологии проектирования интегральных микросхем». -Каз: Издательство КГТУ-КАИ, 2008.

Размещено на Allbest.ru