Разработка топологического чертежа интегрального устройства

 

2. Цель работы: Приобрести навыки в разработке топологического чертежа интегрального устройства.

 

3. Краткие теоретические сведения.

Материалы подложек ГИС.
Подложка в конструкции гибридной интегральной микросхемы является основанием, на котором располагаются пленочные элементы и навесные компоненты. От ее свойств во многом зависит качество всей конструкции. Подложки, используемые при изготовлении гибридных интегральных микросхем, должны удовлетворять следующим
требованиям:
• иметь значительную механическую прочность при небольших толщинах, обеспечивающей целостность подложки с нанесенными элементами как в процессе изготовления микросхемы (разделение на
субподложки, термокомпрессия, пайка, установка подложки в корпус и т.д.), так и при ее эксплуатации в условиях термоциклирования, термоударов и механических воздействий;
• обладать высоким удельным электрическим сопротивлением и малыми потерями на высоких частотах (tgб) и при высокой температуре; быть химически инертными к осаждаемым веществам;
• не иметь газовыделений в вакууме; сохранять физическую и химическую стойкость при нагревании до 400 - 500°С;
• иметь температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), близкий к ТКЛР осаждаемых пленок;
• способствовать обеспечению высокой адгезии осаждаемых пленок;
• иметь гладкую поверхность (Rz мкм на длине 0,08 мм);

• обладать высокой электрической прочностью для обеспечения качественной электрической изоляции элементов микросхемы, как на постоянном токе, так и в широком диапазоне частот;
• обладать способностью к хорошей механической обработке (полировке, резке);
• иметь низкую стоимость.
Основные электрофизические и механические свойства материалов, используемых для изготовления подложек гибридных ИМС, приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1.

Наиболее широкое применение при создании тонкопленочных гибридных ИМС находят подложки из ситалла СТ 50-1, стекла С 48-3, «Поликора» и бериллиевой керамики. Промышленностью выпускаются подложки различных типоразмеров. Однако в качестве базовых преимущественно используются подложки размером 100х100 и 50х50
мм из стекла и 48х60 мм из ситалла и керамики. Другие типоразмеры подложек получаются делением сторон базовой подложки на части.
Например, для подложек из ситалла в качестве делителя чаще всего используют цифры 2 и 3 или кратные им. По толщине наибольшее распространение получили подложки размером 1 и 1,6 мм. В технически обоснованных случаях применяют и более тонкие подложки до 0,2 мм.
Структура материала подложки и состояние ее поверхности оказывают существенное влияние на структуру выращиваемых тонких пленок и характеристики пленочных элементов. Большая шероховатость поверхности подложки снижает надежностьтонкопленочных резисторов и конденсаторов, так как микронеровности
уменьшают толщину резистивных и диэлектрических пленок. При толщине пленок около 100 нм допускается высота микронеровностей примерно 25 нм. Следовательно, обработка поверхности подложки для тонкопленочных микросхем должна соответствовать 14 классу
чистоты.

Разработка топологии ГИС
3.1 Алгоритм разработки ГИС
Основными конструктивными элементами гибридных микросхем являются:
• диэлектрическая подложка;
• пленочные резисторы, конденсаторы, индуктивности, проводники, контактные площадки;
• навесные полупроводниковые приборы (транзисторы, диоды, микросхемы), навесные пассивные элементы (конденсаторы с большой емкостью, трансформаторы, дроссели и т.д.).
Гибридная схема должна выполняться в виде функционально законченного узла, но допускать возможность контроля надпараметрами.
Разработка ГИС производится в следующей последовательности:
1. Производится анализ принципиальной электрической схемы устройства, отработанной в навесном исполнении с учетом особенностей и возможностей пленочной технологии: получения пленочных элементов необходимых номиналов с заданной точностью, пробивным напряжением, рассеиваемой мощностью и др. Учитываются параметры и конструкции активных элементов, надежность и экономические факторы.
2. Сложные схемы с большим количеством напыляемых элементов разбиваются на несколько функциональных узлов (компоновка схемы). При этом учитывается необходимость наибольшей унификации ГИС.
3. Разрабатывается конструкция ГИС.
4. Разрабатывается топология ГИС.
5. Оформляются чертежи ГИС.
6. Изготавливается экспериментальный образец.

7. Проводятся испытания ГИС, предусмотренные в технических условиях на изделие.
8. Производится корректировка технической документации.
По принципиальной электрической схеме определяется перечень напыляемых элементов. В перечне приводятся сведения ономиналах, допусках, максимальной рассеиваемой мощности (для резисторов), максимальное напряжение (для конденсаторов).
Расположение и размеры контактных площадок зависят от принятого способ контактирования или сварки, а также от расположения жестких выводов.
3.2 Данные для расчета размеров элементов ГИС
Схемотехнические данные являются основными для проектирования радиоэлектронного устройства, так как они определяют связи и параметры элементов, их функциональное
назначение и условия эксплуатации. Принципиальная электрическая схема устройства гибридно-пленочной конструкции может быть выполнена в виде модуля (законченной единичной конструкции) или в виде ряда модулей. В этом случае схема разбивается на отдельные схемы по уровням конструктивных решений - модулям, субмодулям, отдельным панелям и т. д.
Принципиальные электрические схемы устройств, представленные к разработке в гибридно-пленочной конструкции,подразделяются на две категории:
1. схемы, структура и схемотехнические данные которых разработаны с учетом особенностей и ограничений, накладываемых интегральной гибридной технологией;
2. схемы, переводимые в гибридно-пленочный вариант.
Отличительными признаками схем, разработанных для гибридно-пленочной технологии изготовления, являются:
а) отсутствие резисторов с номинальными значениями, более 20кОм.
б) отношение Rмакс/Rмин не превышает 50.
в) соответствие номиналов резисторов непрерывной шкале.
г) отсутствие тенденции подведения номиналов резисторов по точности изготовления под нормализованный ряд номиналов (такая тенденция свойственна конструированию изделий на дискретных компонентах).
д) мощность рассеяния резисторов указывается соответствующей их режиму в схеме (максимальному режиму).

е) отсутствие или возможное уменьшение числа реактивных элементов схемы.
ж) отсутствие в процессе изготовления ГИС настраиваемых или подбираемых компонентов.
Параметры элементов схемы, подвергающейся конструктивному расчету при проектировании топологической структуры, приводятся вспецификации. Она должна обеспечивать возможность проведения конструктивного расчета и выбора материалов.
Для резисторов указываются:
• номинальное значение R, Ом, кОм;
• погрешность номинального значения Δ R, %;
• номинальная мощность резистора W, Вт.
Для конденсаторов указывается номинальное значение С, пФ.
Указываемые на резисторы и конденсаторы параметры определяют при разработке топологической структуры возможные и допустимые топологические погрешности резисторов и конденсаторов.
В зависимости от геометрических размеров навесных элементов, методов и способов их присоединения (пайка, сварка, термокомпрессия) выбираются конструктивные размеры контактных площадок для таких соединений.
3.3 Основные ограничения на топологию ГИС.
При конструировании ГИС и разработке топологии учитываются следующие основные ограничения:
1. Пассивные элементы, к точности которых предъявляются жесткие требования, располагаются на расстоянии не менее 1000 мкм от краев подложки.
2. Если элементы расположены в различных слоях, для их совмещения предусматривается перекрытие не менее 200 мкм.
3. При формировании пленочного конденсатора нижняя его обкладка должна выступать за край верхней не менее чем на 200 мкм, диэлектрическая пленка должна выступать за край нижней обкладки также не менее чем на 200 мкм.
Обкладки конденсаторов в местах коммутации с другими элементами должны выступать за слой диэлектрика не менее чем на 400 мкм.
4. Минимальный номинал пленочного резистора устанавливается в 50 Ом, при этом длина резистора не должна быть меньше 500 мкм.
5. Максимально допустимая величина резистора ограничивается конструкцией ГИС.

6. Минимально допустимые размеры контактной площадки для сварки установлены 400 на 400 мкм.
7. Минимально допустимые расстояния между пленочными элементами схемы составляют 300 мкм.
8. Граница диэлектрика должна отстоять не менее чем на 500 мкм от края контактных площадок.
9. Минимально допустимая ширина пленочного резистора при Δ R =20% – 200 мкм, при Δ R =10% – 300 мкм.
11. Минимально допустимое расстояние от края навесного элемента до края контактной площадки – 500 мкм.
12. Минимально допустимое расстояние между навесными элементами и навесными проводниками – 300 мкм.
13. Выводы активных элементов не должны пересекаться между собой, а также недолжны проходить над контактными площадками и неизолированными участками проводников и в непосредственной близости от них (минимально допустимое расстояние – 300 мкм).
3.4. Основные принципы проектирования топологии ГИС
Особенно трудным в проектировании топологической структуры ГИС является этап компоновки (планировки) такой структуры. Ниже приводятся рекомендации по организации планировки топологической структуры ГИС.
Предварительный анализ принципиальной схемы и схемотехнических данных выполняется с целью:
а) выяснить возможность выполнения данной схемы устройства с ее схемотехническими параметрами и конструктивно-компоновочными требованиями в гибридно-пленочной конструкции при имеющихся технических возможностях;

б) определить минимальную площадь под гибридно-пленочную микросхему конкретного устройства;
в) выполнить компоновку схемы всего устройства.

 

4 Порядок выполнения работы

4.1 Определить площадь, занимаемую всеми элементами схемы:

где: S_T– площадь, занимаемая транзисторами;

S_R- – площадь, занимаемая резисторами;

S_C - – площадь, занимаемая конденсаторами;

S_VD - – площадь, занимаемая диодами.

В ГИМС используются навесные транзисторы и диоды. Площадь, занимаемую транзистором и диодом принять, равными (рис.4.1.).

Общая площадь полупроводниковых элементов определяется по формулам:

 

Размер транзистора и расположение выводов приведены нарисунке 4.1.

Рисунок 4.1 – Размеры бескорпусного транзистора.

4.2 Учитывая площадь соединений, промежутки между элементами и расстояние от края подложки, следует увеличить суммарную площадь в 3 – 4 раза. Затем необходимо выбрать подложку из рекомендуемых размеров плат, приведенных в таблице 4.1.

Таблица 4.1.

Длина, мм
Ширина, мм

4.3 Размещают выбранные и рассчитанные элементы на поле подложки.

4.4 Составляют чертеж топологии ГИМС в масштабе 10:1 или 20:1 на компьютере.

 

5 Содержание отчета.

5.1 Наименование работы.

5.2 Цель работы.

5.3 Чертеж топологии, разработанной ГИМС.

 

6 Контрольные вопросы.

6.1 Как выбираются размеры подложки ГИС?

6.2 Как повышают точность пленочного резистора?
6.3 Чем вызвано ограничение минимального расстояния расположения пленочных элементов от края подложки?

6.4 Дайте определение пассивных и активных компонентов ГИС.

6.5 Какие требования предъявляются к подложкам ГИС?

 

Приложение А

Варианты заданий для выполнения лабораторных работ.

Приложение Б

 

Лабораторная работа 4

 

Анализ элементной базы

2 Цель работы: Изучение правил ЕСКД в обозначении электрорадиоэлементов
(ЭРЭ) в конструкторской документации (КД).

3 Теоретические сведения
Элементная база в конструкторских документах, например в перечне элементов и спецификации, описывается по правилам ЕСКД.

Описание резисторов в КД
В описание резисторов входят его тип, рассеиваемая мощность в ваттах, номинальное сопротивление в единицах сопротивления (Ом, кОм, МОм), отклонение от номинального сопротивления, выраженное в процентах, и нормативно-технический документ, по которому изготовлен резистор. Эти характеристики в обозначении отделены
тире.
Например, резистор типа C1 - 4 мощностью 0,125 Вт с номинальным сопротивлением 10 кОм с отклонением от номинального сопротивления 10 процентов, изготовленный по ГОСТ 25350-82, в КД будет обозначен:
C1-4 – 0,125 Вт – 10 кОм ± 10 % ГОСТ 25350-82
Отечественные резисторы имеют следующие градации мощности, которые на электрических схемах обозначают:
2 Вт; 1 Вт; 0,5 Вт; 0,250 Вт; 0,125 Вт.
На профессиональных электрических схемах, имеющих перечень элементов, мощность резисторов не проставляется.
Описание в КД электролитических конденсаторов
Электролитические конденсаторы на электрической схеме обозначены знаком «+», проставляемым возле одной из обкладок. В описание электролитических конденсаторов входят тип, напряжение в вольтах, номинальная емкость в микрофарадах или пикофарадах, отклонение от номинальной емкости, выраженное в процентах и нормативно-технический документ, по которому изготовлен электролитический конденсатор. Эти характеристики в обозначении отделены тире.
Например, конденсатор типа К50-3 с напряжением 16 В, номинальной емкостью

5 мкФ с отклонением от номинальной емкости в 10 процентов, изготовленный по ОЖО.462.012 ТУ, в КД будет обозначен:
К50-3 – 16В – 5мкФ ± 10 % ОЖО.462.012 ТУ.

Описание в КД неэлектролитических конденсаторов
У неэлектролитических конденсаторов в обозначение входят тип, группа ТКЕ (температурный коэффициент емкости), номинальная емкость, выражающаяся в абсолютных единицах, отклонение от номинальной емкости, выраженное в процентах, и нормативно технический документ, по которому изготовлен неэлектролитический
конденсатор. Эти характеристики в обозначении отделены дефисом.
Например, конденсатор типа КМ-4а с группой ТКЕ М1500, номинальной емкостью 0,5 мкФ с отклонением от номинальной емкости10 процентов, изготовленный по ОЖО.460.043, ТУ, в КД будет обозначен:
КМ-4а – М1500 – 0,5мкФ ± 10 % ОЖО.462.012 ТУ.
Наиболее применимы для резисторов и конденсаторов отклонения от номинальных размеров 5 и 10 процентов.
Описание в КД диодов
Описание в КД диодов состоит из типа и нормативно - технического документа, по которому изготовлен диод.
Например, диод типа КД 514А, изготовленный по ТТЗ.362.124.ТУ, в КД будет обозначен:
КД 514А ТТЗ.362.124.ТУ.
Описание в КД транзисторов
У транзисторов в обозначение входят тип и нормативно - технический документ, по которому изготовлен транзистор.
Например, транзистор типа КТ 363А, изготовленный по ЩТО.336.014.ТУ, в КД будет обозначен:
КТ 363А ЩТО.336.014.ТУ.
Описание в КД микросхем
У микросхем в обозначение входят серия, тип корпуса и нормативно-технический документ, по которому изготовлена микросхема.
Например, микросхема серии К140УД в корпусе 201.14-1 (это корпус прямоугольный пластмассовый с 14 выводами), изготовленная по ГОСТ 17467-79, в КД будет обозначена:

К140УД4 в корпусе 201.14-1 ГОСТ 17467-79.
Отечественные микросхемы по ГОСТ 17467 – 79 имеют 5 типов корпусов: 4 типа прямоугольные и 1 тип круглый. Корпуса, начинающиеся с цифр 1, 2, 4, 5, имеют прямоугольный контур; корпус, начинающийся с цифры 3 – круглый.

4 Порядок выполнения работы
4.1 Выписать электрорадиоэлементы (ЭРЭ), не устанавливаемые на печатной плате.
4.2 Выписать ЭРЭ, которые будут установлены на печатной плате, следующими группами:
– резисторы;
– конденсаторы электролитические;
– конденсаторы неэлектролитические;
– диоды;
– транзисторы;
– микросхемы.
4.3 Определить номинальные параметры всех характеристик элементов.
4.4 Обозначить все ЭРЭ, устанавливаемые на печатной плате, согласно правилам ЕСКД.
4.5 Определить для ЭРЭ нормативно-технический документ по приложению 1.

5 Содержание отчета
5.1 Название работы

5.2 Цель работы.

5.3 Выполненные пункты 4.1 – 4.5.

5.4 Выводы по проделанной работе.

 

6 Контрольные вопросы

6.1 Какую часть фарады составляют микрофарада и пикофарада?
6.2 Почему приставки «микро» и «пико» пишутся прописными буквами?
6.3 Почему единицы измерения емкости в фарадах, сопротивления в омах, напряжения в вольтах начинаются с заглавных букв?
6.4 Какие приставки к единицам измерения параметров электрорадиоэлементов начинаются с заглавных букв? Привести примеры.
6.5 Привести пример обозначения круглого корпуса микросхемы.
6.6 Как распознать электролитический конденсатор на электрической принципиальной схеме?
6.7 Как для простоты на любительских электрических схемах обозначается мощность резисторов?

 

 

Лабораторная работа 5