Размещено на http://www.allbest.ru

КУРСОВАЯ РАБОТА

РАЗРАБОТКА ТОПОЛОГИИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БЕСКОРПУСНОЙ ТОНКОПЛЕНОЧНОЙ МИКРОСБОРКИ

СОДЕРЖАНИЕ

• 1. Задание на курсовую работу
• 2. Схемотехнические данные и используемые материалы
• 2.1 Схема микросборки, электрические и эксплуатационные данные
• 2.2 Материалы, используемые для разработки микросборки
• 2.3 Технологические требования и ограничения
• 3. Разработка коммутационной схемы соединений
• 4. Расчет тонкопленочных элементов микросборки
• 4.1 Расчет тонкопленочных резисторов
• 4.3 Расчет пленочных конденсаторов
• 4.4 Расчет пленочных проводников и контактных площадок ИМС
• 5. Разработка топологии ИМС
• 6. Разработка технологии изготовления микросборки
• 7. Заключение
• 8. Список литературы
• 9. Приложение

1. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

Разработать на основе тонкопленочной технологии топологию и технологию изготовления бескорпусной интегральной микросборки, представляющей собой два параллельно включенных Т-образных четырехполюсника. Выбор варианта курсовой работы произвести из приведенных ниже исходных данных.

микросборка тонкопленочный резистор конденсатор проводник микросхема



2. СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ И ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Микросборка (МСБ) - микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию и разрабатываемое для конкретной радиоаппаратуры с целью обеспечения комплексной микроминиатюризации последней. МСБ используются в радиоаппаратуре различного функционального назначения в качестве субблоков, блоков и отдельных устройств. В качестве основания в МСБ применяются в основном керамические или ситалловые подложки, на которых формируется пленочная конфигурация микросборки и устанавливаются различные компоненты (диоды, транзисторы, микросхемы и т.д.). По технологии изготовления МСБ не отличаются от пленочных и гибридных микросхем.

Исходными данными для разработки топологии МСБ являются:

- схемотехнические данные: электрическая схема и электрические данные;

- эксплуатационные данные и требования;

- технологические требования и ограничения;

- конструктивные данные и требования.

2.1 Схема микросборки, электрические и эксплуатационные данные

Электрическая схема МСБ изображена на рис. 1 и представляет собой два параллельно включенных Т-образных четырехполюсника. Первый состоит из двух резисторов R₁ и конденсатора C₂, а второй - из двух конденсаторов C₁, представляющих собой плечи четырехполюсника, и резистора R₂.



рис. 1

Исходные электрические и эксплуатационные данные и материалы приведены в табл. 1.1…1.5

табл. 1.1

Исходные данные
Предпоследняя цифра шифра	4
R1,кОм	4,2
R2,кОм	2,1
Кол-во МСБ на подложке	2
Последняя цифра шифра	3
С1,пФ	2000
С2,пФ	4400
Рабочее напряжение конденсатора Uр, В	3,9
Материал диэлектрика конденсатора	Sb2S3
Мощность рассеяния резисторов Рi, мВт	13
Материал резисторов	Cплав РС-3001
Допуски на номиналы резисторов и конденсаторов	дRi = дCi = ± 10%
Погрешности
Погрешность воспроизведения поверхностного удельного сопротивления s, %	2
Погрешность сопротивления контактов Rк, %	2
Погрешность воспроизведения удельной емкости Co, %	2
Эксплуатационные данные
Интервал рабочих температур , 0С	- 30…+30
Время эксплуатации t, ч.	103

2.2 Материалы, используемые для разработки микросборки

табл. 1.2

Характеристики материалов пленочных резисторов
Материал резистора	Сплав РС-3001
Материал контактных площадок	Золото с подслоем нихрома
Удельное поверхностное сопротивление S, Ом/?	1000,,,2000
Температурный коэффициент сопротивления TKR, 1/град	-0,210-4
Удельная мощность рассеяния Р0, Вт/см2	2
Коэффициент старения резистора КстR, 1/ч.	0,510-5
Способ нанесения пленок	Термическое напыление
Характеристики материалов пленочных конденсаторов
Материал диэлектрика	Сурьма (Sb2s3)
Материал обкладок	То же
Диэлектрическая проницаемость на частоте 1кГц	14
Удельная емкость С0, пФ/см2	2,2*104
Тангенс угла диэлектрических потерь tg на частоте 1кГц	0,004
Температурный коэффициент емкости ТКС, град-1	2 10-4
Электрическая прочность Епр, В/см	2105
Коэффициент старения емкости КстC, 1/час	10-5
Способ нанесения пленок	То же

табл. 1.3

Характеристики материала подложки
Материал	Ситалл СТ50-1
Класс чистоты обработки	13…14
Температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР (х107) при Т=20…3000С, 1/град	502
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м 0С)	1,5
Диэлектрическая проницаемость при f=1МГц и Т=200С	5…8,5
Тангенс угла диэлектрических потерь tg (х104) при f=1МГц и Т=200С	20
Объемное удельное сопротивление V при Т=250С, Омсм	-
Электрическая прочность Епр,	-

Материал для контактных площадок и проводников необходимо выбрать такой, чтобы:

1. Обладал высокой адгезией с подложкой.

2. Обеспечивал необходимую проводимость электрического тока.

3. Должен быть: химически инертным, стабильным.

Всеми перечисленными выше свойствами обладает золото с подслоем нихрома. Подслой нихрома обеспечивает особо прочное соединение с подложкой и последующими слоями, слой золота обеспечивает высокую проводимость, химическую инертность и стабильность.

табл. 1.4

Характеристики тонкопленочных проводников и контактных площадок
Материал подслоя	нихром Х20Н80
Толщина подслоя, мкм	0,01…0,03
Материал слоя, мкм	золото 999,9
Толщина слоя, мкм	0,6…0,8
Удельное поверхностное сопротивление S, Ом/?	0,03…0,05
Рекомендуемый способ контактирования внешних выводов	Пайка микропаяльником или сварка импульсным косвенным нагревом

Материал для защиты элементов выбирается по электрической прочности. Он должен обладать низким ТКС, малым tg и большим объемным сопротивлением. В соответствии с вышеизложенными требованиями выбираем моноокись кремния (SiO).

табл. 1.5

Характеристики материала, применяемого для защиты элементов
Материал диэлектрика	Моноокись кремния (SiO)
Удельная емкость С0, пФ/мм2	17
Тангенс угла диэлектрических потерь tg на частоте f =1 кГц	0,03
Удельное объемное сопротивление V, Омсм	1012
Электрическая прочность Епр, В/см	3106
Температурный коэффициент емкости ТКС при Т=-60…85С,1/град	510-4

2.3 Технологические требования и ограничения

Конструктивные данные характеризуют:

1) объем и форму гибридной ИМС;

2) размеры платы (подложки), число и расположение выводов;

3) размеры и способ монтажа компонентов;

4) способ монтажа ИМС в корпусе.

При проектировании топологии гибридной ИМС необходимо руководствоваться следующими требованиями.

1. Размер платы (подложки) ИМС выбирается в соответствии с типовыми размерами, габариты которых представлены в табл. 2. Платы с типоразмерами № 3…10 используются в стандартных корпусах, остальные - в бескорпусных ИМС и микросборках.

Типоразмеры плат (подложек) таб. 2

№ типоразмера	Ширина, мм	Длина, мм	№ типоразмера	Ширина, мм	Длина, мм	№ типоразмера	Ширина, мм	Длина, мм
1	96	120	8	12	6	15	8	15
2	60	96	9	10	16	16	8	10
3	48	60	10	10	12	17	24	60
4	30	48	11	5	6	18	20	45
5	24	30	12	2,5	4	19	20	45
6	20	24	13	16	60	-	-	-
7	16	20	14	32	60	-	-	-

2. Компоненты необходимо по возможности располагать рядами, параллельными сторонам платы и одинаково ориентированными.

3. Не допускается монтаж компонентов на пленочные конденсаторы и пересечения проводников.

4. Периферийные контактные площадки располагают по четырем или двум противоположным сторонам платы.

5. Шаг расположения контактных площадок соответствует ряду 0,625; 1,250 и 2,500 мм (для бескорпусной защиты) или расположению выводов корпуса (для корпусной защиты).

6. Пленочная и гибридная ИМС должны иметь ключ - увеличенную контактную площадку или специальный знак, который должен располагаться в левом нижнем углу на большей стороне платы, ключ вычерчивается в процессе проектирования топологии ИМС.

Пассивные элементы, к точности которых предъявляются жесткие требования, располагаются на расстоянии 500 мкм при масочном методе и 200 мкм при фотолитографии от краев и осевых линий прижимных перегородок.

Для совмещения элементов, расположенных в разных слоях, предусматривается перекрытие не менее 200 мкм при масочном и совмещенном методах и менее 100 мкм при фотолитографии.

1. Для измерения номиналов пленочных элементов и контроля режимов схемы предусматриваются контактные площадки размером не менее 200Ч200 мкм.

2. Минимально допустимое расстояние между пленочными элементами (в том числе, и контактными площадками) составляет 300 мкм при масочном методе и 100 мкм при фотолитографии.

3. Минимальное номинальное значение сопротивления пленочного резистора устанавливается в 50 Ом, при этом длина резистора не должна быть менее 100 мкм.

4. Минимально допустимая ширина пленочных резисторов составляет 100 мкм при масочном методе и фотолитографии и 50 мкм при танталовой технологии.

5. Нижняя обкладка конденсатора должна выступать за край верхней обкладки не менее чем на 200 мкм, диэлектрик должен выступать за край нижней обкладки не менее чем на 100 мкм (исключение составляют конденсаторы, образованные пересечением двух полосок).

6. Минимально допустимая ширина пленочных проводников составляет 100 мкм при масочном методе и 50 мкм при фотолитографии и танталовой технологии.

7. Минимально допустимое расстояние между пленочными элементами, расположенными в разных слоях, составляет 200 мкм при масочном и совмещенном методах и 100 мкм при фотолитографии и танталовой технологии.

8. Минимально допустимые размеры контактных площадок составляют: при приварке гибких выводов 200Ч150 мкм, для припайки 400Ч400 мкм.

9. Не рекомендуется проектировать пленочные резисторы с числом квадратов менее 0,1 и конденсаторы с площадями менее 0,5Ч0,5 мм и суммарной площадью более 2 см.



3. РАЗРАБОТКА КОММУТАЦИОННОЙ СХЕМЫ СОЕДИНЕНИЙ

Нижеприведенные преобразования исходной электрической схемы ИМС и схематический план размещения элементов и соединений между ними на подложке ИМС на рис. 2 позволяют:

- упростить конфигурацию электрической схемы для уменьшения числа пересечений изгибов, получения прямых линий;

- выделить на преобразованной схеме пленочные и навесные элементы;

- обеспечить электрическую схему внутренними и внешними контактными площадками;

- расположить элементы и соединения с учетом равномерного распределения мощности рассеяния;

- расположить контактные площадки равномерно на поверхности подложки с учетом кратчайшего прохождения электрических сигналов с целью уменьшения их искажений.

рис. 2



4. РАСЧЕТ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МИКРОСБОРКИ

4.1 Расчет тонкопленочных резисторов

Конструктивно пленочный резистор представляет собой резистивную пленку, нанесенную на соответствующую подложку и состыкованную с контактными площадками. Исходными данными для расчета пленочных резисторов являются схемотехнические данные и данные по материалам (см. табл. 1.1…1.5).

Цель расчета - определение геометрических размеров и формы пленочных резисторов, обеспечивающих получение резисторов с воспроизводимыми и стабильными параметрами.

Производится расчет коэффициента формы К_ф для определения степени сложности геометрической конфигурации резисторов. Величина К_ф рассчитывается по формуле:

Для R1 К_ф =4200/1100=3,8

Для R2 К_ф= 2100/1100 =1,9

Так как у обоих резисторов 1 ? К_ф?10, осуществляется расчет резисторов прямоугольной формы. В этом случае осуществляется расчет резисторов прямоугольной конфигурации (см. рис. 1.2)



Рис. 1,2.

Расчет ширины b_ррезистора осуществляется по формуле

b_p =

где: P_i - мощность рассеяния резистора;

Р₀ - удельная мощность рассеяния материала пленки резистора (берется из табл. 1.2).

Для R1

Для R2

Определяем расчетную ширину b_расч резистора по формуле:

где: b_техн- величина, обусловленная технологическими ограничениями,

b_техн -- 100 мкм

где: - погрешности, вызванные точностью изготовления геометрических контуров пленки, которые при масочном методе изготовления составляют ±10 мкм.

г_{кф доп} - допустимая погрешность коэффициента формы резистора, которая определяется из выражения (4.5):

г_{кф доп} =г_Ri - г_ps - г_ctR - г_Rt - г_Rk ,

где: г_Ri = д|Ri| = 0,1 (10%) погрешность номинала Ri. Берется из исходных данных (см. табл. 1.1)

г_ps = 0,02 (2%) - погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления;

г_rк = 0,02 (1.. .2 %) - погрешность сопротивления контактов;

г_ctr - относительное изменение сопротивления, рассчитывается по формуле:

г_стR = К_стRДt

где: K_ctR - коэффициент старения, характеризует временную нестабильность сопротивления,

K_ctR= 0,510^-5 1/час, исходные данные (табл. 1.2), Дt - время эксплуатации, Дt = 1000 часов, исходные данные (см. табл. 1.1)

г_rt - относительная температурная погрешность, рассчитывается по формуле:

г_Rт = б_Ri ДT

где: б_Ri - температурный коэффициент сопротивления TKR, б_R1 = б_R2 = -30,,,+30/ С, исходные данные (см. табл. 1.2)

ДТ= Т_в - Т_н = 0 - интервал рабочих температур.

Для обоих резисторов:

y_cxR = 0,510^-5·1000=0,005

г_Кф = -0,210^-4-0=0,00002

г_{кц доп} = 0,1 - 0,02 - 0,005 - 0,00002- 0,02=0,055

Для R1: b_точн = [10+(10/3,8)]/0,055 = 57,8 мкм

Для R2: b_точн = [10+(10/1,9)]/0,055 = 105 мкм

Определяем расчетную ширину b_расч резистора:

Для R1: b_расч = 57,8 мкм

Для R2: b_расч = 105 мкм

Расчет длины lрасч резистивной пленки.

l_расч. = b_расч.K_ф

l_расч=57,8*3,8=219,64

l_расч=105*1,9=199,5

Расчет полной длиныl_полн длины резистора.

l_полн. = l_расч. + 2е,

где

е - размер перекрытия резистивной пленки с контактной площадкой, который обусловлен технологическими ограничениями (см. п. 1.2.2.2), например, при изготовлении резисторов масочным способом е_min= 200 мкм.



l_полн=219,64+2*100=419,64

l_полн=199,5+2*100=399,5

Определение площади S_Riрезистора.

S_Ri =l_полн. b_расч. ,

S_Ri =419,64*57,8=24255,2

S_Ri =399,5*105=41947,5

Расчет мощности P_Ri рассеяния резистором.

Р_Ri= S_RiР₀, (1.19)

где

Р₀- удельная мощность рассеяния материала резистивной пленки, значение которой берется из табл. 1.2.

Р_Ri=24255,2*2=48510,4

Р_Ri=41947,5*2=83895

Определение коэффициента запаса К_зпо мощности рассеяния.

К_з= Р_Ri/Р_i . (1.20)

Если К_з<1, то следует выбрать другой материал резистивной пленки с большим значением Р₀ или увеличить ширину b_расч резистора на 10...25%.

К_з=48510,4/1310^-3=6,45

К_з=83895/1310^-3=3,7



Определяем общую площадь резисторов ИМС:

Общая площадь S_ri резисторов, расположенных на подложке ИМС, рассчитывается по формуле:

где I - количество резисторов на подложке.

На подложке расположены два резистора R1 и один R2

S_RI= 2·S_RI+ S_R2 = 2·0,034+0,014 = 0,082 см²

После произведенных расчетов резисторы, расположенные на подложке ИМС, изображены на рис. 4.2 (масштаб 20:1).

рис. 4.2

4.3 Расчет пленочных конденсаторов

Пленочный конденсатор представляет собой трехслойную структуру, нанесенную на диэлектрическую подложку. Первый слой - проводящий слой, являющийся нижней обкладкой конденсатора, второй слой представляет собой однослойный или многослойный диэлектрик, и третий слой - проводящий слой верхней обкладки конденсатора.

Цель расчета - определение геометрических размеров и формы пленочных конденсаторов, обеспечивающих получение конденсаторов с воспроизводимыми и стабильными параметрами.

Для микросборки использованы конденсаторы квадратной формы. Их конфигурация представлена на рис. 4.2.

Рис. 4.2

Расчет тонкопленочных конденсаторов осуществляется на основе исходных данных (см. табл. 1.1…1.2).

Расчет толщины d диэлектрика конденсатора производится из условия обеспечения электрической прочности Е_пр.

Значение d определяется по формуле:

d = k₃U_p/E_np., [см],

где k₃ = 3 - коэффициент запаса,

U_p= 18 В - рабочее напряжение (см. табл.1.1),

Е_пр= 2·10⁵ В/см - электрическая прочность для сурьмы (Sb₂s₃), (см. табл.1.2)

Для обоих конденсаторов: d = 3 · 18/2 · 10⁵=2,7· 10^-4см

Определяем удельную емкость C_0d конденсатора, соответствующую требуемой электрической прочности, осуществляется по формуле:

C_0d= 0,0885е/d, [пФ/см²],

где d - толщина, см, е - диэлектрическая проницаемость на частоте 1кГц (см. табл.1.3).

Для обоих конденсаторов: C_od⁼ 0,0885·14/2,7·10^-4 =45,89 пФ/см²

Расчет допустимой погрешности _Sдоп площади производится по формуле:

_Sдоп = _Ci - _Co - _Cт - _стC. ,

где: _Ci = ¦д Ci ¦ и у_Со- допуск на номинал и погрешность воспроизведения удельной емкости, значения которых приведены в табл. 1.1 и равны соответственно 0,1 (10%) и 0,02 (2%); _Cт - температурная погрешность, которая рассчитывается по формуле:

_Cт = б_Ci ДФ

где: б_Ci - температурный коэффициент емкости ТКС, характеризует отклонение ДC_i (Ф) емкости от номинального значения C_i в зависимости от изменения температуры ДФ. Значение б_Ci является справочной величиной, б_C1 = б_C2= 2· 10^-4 1/°С,

где: ДФ - интервал рабочих температур. ДТ=0°С

_стC - погрешность обусловленная старением материалов, рассчитывается по формуле:

у_стС = К_стС·Дt.

где: К_стС - коэффициент старения емкости, характеризует изменение ДC_i (t) емкости C_i в зависимости от времени t, К_стс =10^-5 1/час, Дt - время эксплуатации конденсатора. Дt = 1000 часов.

Для обоих конденсаторов:



у_Ст = 2·10^-4·0=0,0002

у_стС = 10^-5·1000 = 0,01

_Sдоп = _Ci - _Co - _Cт - _стC = 0,1-0,02-0,0002-0,01= 0,0698

Рассчитаем удельную емкость C_0S конденсатора, соответствующую допустимой погрешности площади _Sдоп конденсатора.

Для конденсатора прямоугольной формы с площадью верхней площадки S=AЧB осуществляется по формуле:

C_0S = С_i(_Sдоп /A)² K_ф/ (1+K_ф)² , [пФ/см²],

где К_ф = А/В - коэффициент формы конденсатора; А - большая сторона верхней обкладки конденсатора, [см];

ДА=ДВ - ошибка (точность изготовления) линейных размеров, [см] (ДА=ДВ=10 мкм = 0,001 см), при изготовлении геометрической формы обкладки конденсатора выбирается квадратной формы: А=В, величина К_ф=1 и, следовательно:

C_0S = С_i(_Sдоп /A)² / 4 , [пФ/см²].

Для конденсатора Cl: C_os = 2000·(0,0698/0,001)² /4= 2436022 пФ/см²

Для конденсатора С2: C_os = 4400·(0,0698/0,001)²/4 = 5359244 пФ/см²

Определяем минимальную удельную емкость С_0m конденсатора, обеспечивающую заданное значение U_p, а также отвечающую требуемой величине _Ci =C_i, по условию:

C_0m = min{C_0d , C_0S}, [пФ/см²].

Для конденсатора Cl: C_0m = min{65556, 2436022} = 65556 пФ/см²

Для конденсатора С2: С_0m = min{65556, 5359244} = 65556 пФ/см²

Рассчитаем площадь S_В верхней обкладки конденсатора:

S_в = C_i / С_0m , [см²]

Для конденсатора Cl: S_B=2000/65556 = 0,03051 см²

Для конденсатора С2: S_B=4400/65556 = 0,06712 см²

Определяем габаритные размеры А_В и В_В верхней обкладки конденсатора.

Для конденсатора прямоугольной формы размеры обкладки определяются выбранным коэффициентом формы К_ф= А_в/В_в, задаваясь, с учетом технологических требований и ограничений, размером В_в. Тогда:

Так как выбран конденсатор квадратной формы, для которого К_ф =1 то:

Для конденсатора С1: ;

Для конденсатора С2:

Рассчитываем габаритные размеры А_Н и В_Н нижней обкладки конденсатора.

Для конденсатора квадратной формы:

Б_З = В_З = Б_В+2у,

где: у ? 200 мкм - технологическое ограничение на перекрытие обкладок конденсатора.

Для конденсатора С1: А_н = В_н = 0,1746+2·0,02= 0,21467 см;

Для конденсатора С2: А_н = В_н = 0,259+2·0,02= 0,299 см;

Определяем габаритные размеры А_Д и В_Д диэлектрика.

Для конденсатора квадратной формы

А_д = В_д = А_н+2_g

где: g ? 100 мкм - технологическое ограничение на перекрытие нижней обкладки конденсатора диэлектриком.

Для конденсатора С1: А_д = В_д = 0,21467+ 2·0,02= 0,25467 см;

Для конденсатора С2: А_д = В_д = 0,299+2·0,02= 0,399 см;

Определяем площадь S_Ci, занимаемую конденсатором.

Площадь конденсатора определяется площадью диэлектрика:

S_Ci = S_д = А_дВ_д

Для конденсатора Cl: S_С1 = S_Д= 0,25467² = 0,06485 см²

Для конденсатора С2: S_С2 = S_Д= 0,399² = 0,159201 см²

Расcчитаем добротность Q_i конденсатора по формуле:

Q_i = 1/tg_i,

где tg_i = tg_Д + tg_об;

tg_Д = 0,004 - тангенс угла диэлектрических потерь в диэлектрике, который является постоянной справочной величиной, его значение берется из табл.1.3; tg_об - тангенс угла потерь в обкладках конденсатора, который определяется по формуле:

tg_об = 4 C_i(r_в + r_н)/10¹²,

где f = 1000 Гц - частота, на которой измеряются потери; C_i - номинал емкости конденсатора, [пФ];

r_в и r_н - сопротивления соответственно верхней и нижней обкладок конденсатора, [Ом], для конденсатора квадратной формы г_в= г_в = р_soбкл = 0,3,,,0,5 Ом, значение берется из табл. 1.5. Для подслоя нихрома с слоем золота:

Для конденсатора Cl: tgд_o6 = 4р·10³·2000(0,3+0,3)/10¹² = 0,00001507964,

tgд₁ = 0,004+0,00001507964= 0,004012063,

Q_i= l/tgд₁ = 1/0,004012063? 249,248

Для конденсатора C2: tgд_o6 = 4р·10³·4400(0,3+0,3)/10¹² = 0,00003317521,

tgд₂ = 0,004+0,00003317521= 0,00403317521,

Q_i = l/tgд₂ = 1/0,00403317521? 247,9436

Определим общую площадь конденсаторов на подложке ИМС.

Общая площадь S_CG пленочных конденсаторов на подложке рассчитывается по формуле:

где G - количество конденсаторов на подложке ИМС.

Scg = S_Сl+S_С1+S_C2 = 0,06485 + 0,06485 + 0,159201 = 0,872551 см².

После произведенных расчетов конденсаторы, расположенные на подложке ИМС, изображены на рис. 4.3 (масштаб 20:1).



рис. 4.3

4.4 Расчет пленочных проводников и контактных площадок ИМС

Выбор материала проводников и контактных площадок производиться из табл. 1.2 и 1.5 в соответствии с вариантом. Для обеспечения высокой технологичности при производстве ИМС пленочные проводники и контактные площадки изготавливаются из одного и того же материала - алюминия с подслоем нихрома.

Определение геометрических параметров соединительных проводников.

Длина l_inp i-гo проводника, соединенного с резистором номиналом R_i, определяется, исходя из условия:

R_iпр = _sпр?_iпр / b_iпр R_пр.доп = (0,1…0,2)R_iR_i,



где _sпр - удельное поверхностное сопротивление материала проводника _sпр = 0,1 Ом/?; b_iпр - ширина проводника; R_i - отклонение от номинала R_i, заданное в исходных данных (см. табл. 1.1).

Тогда:

?_iпр (0,1…0,2)b_iпрR_i R_i /_sпр.

Ширина b_iпр i-го проводника задается, исходя из условия, что b_iпр не более ширины резистивной пленки b_расч (см. формулу (4.13)) и соответствует технологическим ограничениям b_техн, т.е.

b_iпр = max {b_расч. , b_техн.},

b_np = max{177, 100}.

Ширина проводника выбирается равной 177 мкм.

Подставляя значения b_пр, | дR_i | и _sпр, получаем:

?_iпр 17,7 · R_i

Для проводников R1: ?_пр1 17,7 ·13800 = 244260 мкм.

Для проводников R1: ?_пр2 70,4 ·6900 = 122130 мкм.

Для всех проводников, достаточно принять длину, равную ?_пр = 8000 мкм

Расчет ориентировочной габаритной площади S_iпр проводников производится по следующей формуле:

S_пр = q·?_iпрb_iпр

где: q - количество проводников.

Общая габаритная площадь S_Jпр всех проводников на подложке ИМС определяется по формуле:

где J - число проводников на подложке, соединяющих через контактные площадки элементы, компоненты и отдельные контактные площадки.

S_Jnp = 12· (8000Ч177) = 16992000 мкм² = 0,1699 см²

Расчет геометрических размеров контактных площадок.

В пленочных и гибридных ИМС контактные площадки служат для обеспечения двух типов контактных переходов:

- "низкоомная проводящая пленка - низкоомная проводящая пленка", т.е. контакт "проводник - проводник",

- "резистивная пленка - низкоомная проводящая пленка".

К первому виду контактов относятся контакты типа "контактная площадка - обкладка конденсатора", " проводник - контактная площадка - проводник".

Для первого типа контактов выбор длины ?_пл и ширины b_пл контактных площадок осуществляется, исходя из технологических ограничений и требований и выбираются равными 500Ч500 мкм.

Для второго типа контактов величина b_iпл (i - номер контактной площадки, соединенной с i-м резистором) выбирается с учетом технологических ограничений при совмещении разных слоев, т.е.

b_iпл. = b_Ri.+2·200



Для контактных площадок R1: b = b_R + 2·200=175+2·200=575 мкм.

Для контактных площадок R2: b = b_R + 2·200=177+2·200=577 мкм.

Для всех контактных площадок b выбирается равным 580 мкм.

?_iпл рассчитывается, исходя из условия

R_{iпл Rк} R_i/2,

где R_i и R_iпл - номиналы сопротивления i-го резистора и сопротивление i-й контактной площадки соответственно; _Rк - погрешность переходного сопротивления области контакта “резистор - контактная площадка”, которая составляет _Rк 2 % (см. исходные данные в табл. 1.1).

Используя формулу

R_iпл = _sпл ?_iпл / b_iпл ,

где _sпл = _sпр., получим соотношение для определения ?_iпл.:

?_iпл. b_{iпл. Rк} R_i/_sпр2.

Для контактных площадок R1: ?_пл. 580·0,02·13800/0,1·2 = 3201600 мкм.

Для контактных площадок R2: ?_пл. 580·0,02·6900/0,1·2 = 1600800 мкм.

С учетом технологических ограничений ?_iпл выбирается из условия

?_техн. ?_iпл. b_{iпл. Rк} R_i/_sпр2

200_. ?_iпл. 1600800

Для всех контактных площадок ?_пл выбираем равной 300 мкм.

Общая площадь S_Qпл, занимаемая на подложке контактными площадками, рассчитывается по формуле:

где Q - количество контактных площадок.

S_Qпл = 6 [контактные площадки: резистор - проводник]

+ 8 [контактные площадки: проводник - проводник]

+ 2 [контактные площадки: для припайки выводов]

S_Qпл = 6·(580 Ч 300)+8·(500 Ч 500)+2·(500 Ч 500) = 3544000 мкм² = 0,03544 см².

После произведенных расчетов контактные площадки, расположенные на подложке ИМС, изображены на рис. 4.4 (масштаб 20:1).

рис. 4.3

Выбор типоразмера подложки ИМС.

Расчет общей площади S_У, занимаемой пленочными элементами, проводниками и контактными площадками:

S = S_RI + S_CG + S_пр + S_Qпл ,

где S_RI, S_CG, S_пр и S_Qпл - общие площади резисторов, конденсаторов, проводников и контактных площадок.

S_z = 0,082 + 0,27026 + 0,1699 + 0,03544 = 0,5576 см²

Определяем необходимую площадь S_п подложки:

S_п = S / k_s,

где k_s = (0,4.. .0,6) - выбираемый коэффициент использования подложки.

S_n =0,5576/0,5=1,1152 см²

Из табл.2 по данным расчетов выбран ближайший типоразмер подложки: № 10 (10Ч12 мм, S = 1,2 мм²).



5. РАЗРАБОТКА ТОПОЛОГИИ ИМС

Разработка топологии включает в себя компоновку элементов ИМС на подложке и разработку топологического чертежа ИМС в увеличенном масштабе. Исходными данными для разработки топологии являются:

1) разработанная коммутационная схема соединений - преобразованная электрическая схема ИМС, (представленная на рис.2)

2) рассчитанные в пп. 4.1..4.4 геометрические размеры пленочных элементов (резисторов, конденсаторов, проводников и контактных площадок);

3) размеры подложки;

4) технологические, электрические (схемотехнические), эксплуатационные и конструктивные данные, требования и ограничения, описанные в соответствующих разделах.

Разработанный топологический чертёж, выполненный в масштабе 20:1, представлен на рис. 5.1

6. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИКРОСБОРКИ

Основные технологические операции при производстве гибридных ИМС

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

Основные операции при производстве гибридных ИМС:

- Получение подложки;

- Очистка подложки от химических и физических загрязнений;

- Нанесение резистивной пленки;

- Нанесение проводящей пленки;

- Фотолитография и травление;

- Лужение контактных площадок;

- Контроль и подгонка резисторов;

- Установка и распайка компонентов;

- Установка платы в корпус и распайка выводов;

- Герметизация;

- Выходной контроль;

Рассмотрим более подробно эти операции.

Получение подложки

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

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

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

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

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

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

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

Очистка подложки от химических и физических загрязнений.

Этот этап производства включает в себя следующие операции:

- шлифовка;

- полировка;

- обезжиривание;

- промывка в особо чистой воде;

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

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

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

Дистиллированная вода, получаемая многократной дистилляцией, содержит небольшое количество примесей (сухой остаток равен 5мг/л) и её электрическое сопротивление не превышает 100 кОмсм.

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

Нанесение резистивного и проводящего слоев

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

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

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

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

Рис. 6. 1 Методы осаждения тонких пленок

а) - термическое испарение в вакууме; б) - катодное распыление; 1 - колпак; 2 - нагреватель подложки; 3 - подложкодержатель; 4 - подложка; 5 - заслонка; 6 - испаритель; 7 - прокладка; 8 - опорная плита; 9 - катод-мишень; 10 - анод

Получение необходимого рисунка пленочных элементов

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

съемной (свободной) и контактной маски,

фотолитографии,

комбинированного метода, основанного на одновременном использовании двух предыдущих способов.

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



Рис. 6.1

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

Рис. 6.2

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

Количество операций литографии и травления зависит от количества слоев. Вообще говоря, в технологии микроэлектронных устройств литографические процессы наиболее часто повторяемы.

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

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

- формирование на поверхности материала слоя резиста;

- передача изображения с шаблона на этот слой (экспонирование);

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

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

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

2-после нанесения резиста и его сушки,

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

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

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

6-повторное нанесение резиста;

Затем повторяются операции экспонирования (но уже через шаблон 9),

удаление необлученных участков резиста,

травление только проводящего слоя, удаление облученных участков резиста,

7 - конфигурацию пленочного резистора,

10-вид сверху.

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

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

Рис. 6.3

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

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

первый цикл - напыление на ситалловую подложку (СТ 50-1), первого сплошного резистивного слоя;

второй цикл - нанесение поверх первого слоя второго слоя материала проводников и контактных площадок (см. рис. 6.1, б);

третий цикл - первая фотолитография для формирования конфигурации проводников и контактных площадок, (маска и подложка слоя проводников и контактных площадок - рис. 7.1 и рис. 7.2 Приложения соответственно);

четвертый цикл - вторая фотолитография для формирования пленочных резисторов, (маска и подложка резистивного слоя - рис. 7.3 и рис. 7.4 Приложения соответственно);

пятый цикл - используется метод съемной маски в непрерывном вакуумном процессе напыления нижних обкладок конденсаторов, диэлектрика конденсаторов, верхних обкладок конденсаторов (см. рис. 6.1, а), а также формируется через соответствующую съемную маску защитный диэлектрический слой ИМС (в данном случае выбрана моноокись кремния (SiO) с характеристиками, приведенными в таб. 1.5), маска и подложка защитного диэлектрического слоя - рис. 7.5 и рис. 7.6 Приложения соответственно.

Заключительные технологические операции

После получения необходимого рисунка следуют заключительные операции:

- Лужение контактных площадок;

- Контроль и подгонка резисторов;

- Установка и распайка компонентов;

- Установка платы в корпус и распайка выводов;

- Герметизация;

- Выходной контроль;

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для современного этапа развития интегральной электроники характерны тенденции дальнейшего повышения рабочих частот и уменьшения времени переключения, увеличения надежности, снижения затрат на материалы и процесс изготовления ИС.

Снижение стоимости ИС требует разработки качественно новых принципов их изготовления с использованием процессов, в основе которых лежат близкие по характеру физико-химические явления, что, с одной стороны, является предпосылкой для последующей интеграции однородных технологических операций производственного цикла и, с другой стороны, открывает принципиальные возможности управления всеми операциями от ЭВМ. Необходимость качественных изменений в технологии и технического перевооружения отрасли диктуется также переходом к следующему этапу развития микроэлектроники -- функциональной электронике, в основе которой лежат оптические, магнитные, поверхностные и плазменные явления, фазовые переходы, электронно-фононные взаимодействия, эффекты накопления и переноса заряда и др.

Критерием «прогрессивности» технологического процесса наряду с улучшением параметров и характеристик самого изделия является высокая экономическая эффективность, определяемая рядом частных, взаимосвязанных критериев, обеспечивающих возможность построения комплектов полностью автоматизированного высокопроизводительного оборудования с длительным сроком эксплуатации.

Наиболее важными частными критериями являются:

- универсальность, т. е. возможность проведения всего (или подавляющего числа операций) производственного цикла с помощью одних и тех же технологических приемов;

- непрерывность, являющаяся предпосылкой для последующей интеграции (объединения) целого ряда технологических операций производственного цикла, сочетаемая с возможностью использования одновременной групповой обработки значительного количества изделий или полуфабрикатов;

- высокая скорость проведения всех основных операций технологического процесса или же возможность их интенсификации, например, в результате воздействия электрических и магнитных полей, лазерного излучения и др.;

- воспроизводимость параметров на каждой операции и высокий процент выхода, как полуфабрикатов, так и годных изделий;

- технологичность конструкции изделия или полуфабриката, соответствующая требованиям автоматизированного производства (возможности автоматизированной загрузки, базирования, монтажа, сборки и др.), что должно найти свое отражение в простоте формы, а также ограниченности допусков на габаритные и базовые размеры;

- формализация, т. е. возможность составления (на основе аналитических зависимостей параметров изделия от параметров технологического процесса) математического описания (алгоритма) каждой технологической операции и последующего управления всем технологическим процессом с помощью ЭВМ;

- адаптивность (жизненность) процесса, т. е. способность длительного существования в условиях непрерывного появления и развития новых конкурентоспособных процессов и возможность быстрого перестраивания оборудования под изготовление новых видов изделий без существенных капитальных затрат.

Большинству из перечисленных критериев удовлетворяют процессы, использующие электронные и ионные явления, происходящие в вакууме и разреженных газах, с помощью которых можно производить:

- ионное распыление металлов, сплавов, диэлектриков и полупроводников с целью получения пленок различной толщины и состава, межсоединений, емкостных структур, межслойной изоляции, межслойной разводки;

- ионное травление металлов, сплавов, полупроводников и диэлектриков с целью удаления отдельных локализованных участков при получении конфигурации ИС;

- плазменное анодирование с целью получения окисных пленок;

- полимеризацию органических пленок в местах, облученных электронами, с целью получения органических изоляционных слоев;

- очистку и полировку поверхности подложек;

- выращивание монокристаллов;

- испарение материалов (в том числе тугоплавких) и перекристаллизацию пленок;

- микрофрезерование пленок;

- микросварку и микропайку с целью подсоединения выводов ИС, а также герметизацию корпусов;

- бесконтактные методы контроля параметров ИС.

Общность физико-химических явлений, на которых базируются перечисленные процессы, показывает принципиальную возможность их последующей интеграции с целью создания новой технологической базы высокопроизводительного автоматизированного производства интегральных схем и приборов функциональной электроники.

8. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. «Микроэлектроника: Рабочая программа, задание на курсовую работу и методические указания к ее выполнению» - Ю.Г. Васильев, д-р техн. наук, проф., СПб. СЗТУ, 2004

2. «Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов» - Аваев Н.А., Наумов Ю.Е., Фролкин В.Т. - М. Радио и связь, 1991.

3. «Микроэлектроника» - Ефимов И. Е., Козырь И. Я., Москва, 1987 г.

4. «Технология и конструирование интегральных микросхем» - Березин А. С., 1983 г.

При выполнении данной работы использовано следующее программное обеспечение:

Microsoft Office Пpoфeccиoнaльный плюc 2007

Microsoft Office Visio Пpoфeccиoнaльный 2007

AutoCAD Electrical 2006

Выполнил М.М. Кухаренко

Размещено на Allbest.ru