Дипломная работа: Микроэлектроника

Для создания других резисторов наиболее целесообразно использовать кермет К-50С (ЕТО.021.013 ТУ). Кф = 2.2 (для резисторов 22кОм) и  1 (для резисторов 10кОм)

Керметные резистивные пленки содержат диэлектрическую и проводящую фазы. Эти пленки наносят методом испарения в вакууме смеси порошков металлов (Cr, Ni, Fe) и оксидов (SiO2, Nd2O3, TiO2), причем соотношение между количеством тех и других определяет основные свойства пленок. Керметные пленки обладают хорошей однородностью свойств, повышенной термостойкостью.

Свойства пленки  кермета К-50С:

Материал контактных площадок и соединений — золото с подслоем хрома.

2.2.3 Выбор материала для обкладок конденсаторов и материала диэлектрика

            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.

            Обкладки конденсаторов должны иметь высокую проводимость, коррозийную стойкость, технологическую совместимость с материалом подложки и диэлектрика, хорошую адгезию к подложке и диэлектрику, высокую механическую прочность.

            Так как рабочее напряжение для всех конденсаторов Uр=12В, для создания конденсаторов в данной схеме наиболее целесообразно использовать в качестве диэлектрика стекло электровакуумное С41-1 (НПО.027.600). Материал для напыления обкладок — Алюминий А99 (ГОСТ 11069-64).

                        2.2.4 Выбор материала для проводников, контактных площадок

            Материалы проводников и контактных площадок должны иметь малое удельное сопротивление, хорошую адгезию к подложке, высокую коррозийную стойкость.

            В данной схеме для этих целей наиболее целесообразно использовать алюминий А99 (ГОСТ 11069-58) с подслоем нихрома Х20Н80 (ГОСТ 2238-58)

Преимущество алюминия, как проводникового материала, состоит в том, что он дешевле многих других материалов.

                        2.2.5 Выбор материала для защиты

            Для создания защитного слоя в данной схеме наиболее целесообразно использовать окись кремния SiO2, имеющий следующие параметры:

2.3 Выбор и обоснование метода создания заданной конфигурации элементов

При изготовлении данной микросхемы целесообразно использовать способ получения конфигурации при помощи свободной маски, так как  допуски на номинал не превышают 20%.

В зависимости от способа нанесения пленки, свойств материала пленки, требований по точности, плотности размещения элементов и других факторов, выбирают метод свободной (съемной) или контактной маски.

Метод свободной (съемной) маски основан на экранировании части подложки от потока частиц напыляемого вещества с помощью специального трафарета — съемной маски, которая с высокой точностью повторяет спроектированную топологию тонкопленочной структуры.

Маску называют съемной, потому что она изготавливается и существует отдельно от подложки. Съемная маска — это тонкий экран из металлической фольги с отверстиями, очертания и расположение которых соответствуют требуемой конфигурации напыляемой пленки. При напылении пленочных элементов маску закрепляют в маскодержателе, который обеспечивает плотный прижим и ее фиксированное положение по отношению к подложке.

В промышленных условиях наибольшее распространение получили биметаллические маски. Такие маски представляют собой пластину толщиной 80-100мкм из бериллиевой бронзы, покрытую с одной или двух (для трехслойных масок) сторон тонким слоем никеля (10-20мкм). Бронзовая пластина служит механическим основанием, конфигурация достигается за счет рисунка в слое никеля.

Биметаллические маски рассчитаны на многократное применение. Обычно они выдерживают около ста циклов напыления пленок, после чего подлежат замене.

Схема изготовления тонкопленочной интегральной микросхемы с помощью свободных масок представлена на рис. 4

Схема изготовления тонкопленочной интегральной микросхемы с помощью свободных масок

                                                              A      B     

1

2

3

4

5

6

A - свободная маска; B - подложка

1,2 — напыление резисторов, проводников и контактных площадок

3-6 — напыление слоев конденсатора и защитной пленки

Рис. 4

2.4 Выбор компонентов

В данной схеме 4 активных компонента: транзисторы VT1...VT4.

Для реализации данной схемы наиболее подходят по параметрам безкорпусные маломощные биполярные транзисторы КТ359А.

Основные параметры:

Габаритные размеры, мм:

Интервал рабочих температур: -50¸85 °C

Масса не более 0.010г

Размеры контактных площадок зависят от способа получения конфигурации (для маски: внешние - 0.4 * 0.4 мм, внутренние 0.2 * 0.25 мм)

Способ установки на плату, габаритные и присоединительные размеры транзистора изображены на рис. 5

Способ установки на плату, габаритные и присоединительные размеры транзистора КТ359А

                                                                   L

      0.2  

                                                                                         0.75

        n                                   0.75                                n + 0.2

                    m                                                     m + 0.2

      H

Рис. 5

2.5 Разработка схемы соединений

Разработка коммутационной схемы соединений является составной частью топологического проектирования и включает в себя преобразование исходной электрической схемы с целью составления плана размещения элементов и соединений между ними на подложке микросхемы.

Основные принципы разработки: упрощение конфигурации электрической схемы для уменьшения числа пересечений и изгибов, получения прямых линий и улучшения субъективного восприятия, выделение на преобразованной схеме пленочных и навесных элементов, размещения на электрической схеме внутренних и периферийных контактных площадок.

            Коммутационная схема представлена на рисунке 6.

Коммутационная схема

                           Б1 К2        Б4 К3

                     C3                           C1

                                                       К1                   R3          C2         C4              R6

                 K4             R1           R7         R2                  

          R5                                                          R4                       R8      R9

                                                                                                                                          Э2 Б2

                    Э4 Э1                                                                                                            Э3 Б3

      1              2                 3                  4                      5               6              7            8           9

Рис. 6

2.6 Выбор корпуса

Корпус предназначен для защиты микросхемы от механических и других воздействий дестабилизирующих факторов (температуры , влажности , солнечной радиации, пыли, агрессивных химических и биологических сред и т.д.)

Конструкция корпуса должна удовлетворять следующим требованиям: надежно защищать элементы и соединения микросхемы от воздействий окружающей среды и, кроме того, обеспечивать чистоту и стабильность характеристик материалов, находящихся в непосредственном соприкосновении с кристаллом полупроводниковой микросхемы или платой гибридной микросхемы, обеспечивать удобство и надёжность монтажа и сборки микросхемы в корпус; отводить от неё тепло; обеспечивать электрическую изоляцию между токопроводящими элементами микросхемы и корпусом; обладать коррозийной и радиационной стойкостью; обеспечивать надежное крепление, удобство монтажа и сборки корпусов в составе конструкции ячеек и блоков микроэлектронной аппаратуры, быть простой и дешёвой в изготовлении,обладать высокой надёжностью.

Для микросхем серии K224 используется используется мателло-стекляный корпус типа «Трап», так он имеет необходимое количество выводов и удовлетворяет всем необходимым требованиям.Данный корпус имеет прямоугольную форму. Все 9 выводов расположены в один ряд по одной стороне.

Некоторые параметры корпуса представлены ниже:

масса  - 3.0 г;

мощность рассеивания при Т=20°С - 2 Вт

метод герметизации корпуса - аргонодуговой.

3.1 Методика расчета пассивных элементов

3.1.1 Методика расчета тонкопленочных резисторов

            Конструктивный расчет тонкопленочных резисторов сводится к определению формы, геометрических размеров и минимальной площади, занимаемой резисторами на подложке.

Определяем оптимальное значение сопротивления квадрата резистивной пленки:

Для реализации пленочных резисторов выбираем резистивный материал с удельным сопротивлением, близким к расчетному.

Для резисторов R1..R3,R5..R9 (rs.опт= 14.8 кОм/ð) наиболее целесообразно использовать резистивный материал кермет K50-C ЕТО.021.013 ТУ (rs=10 кОм/ð, P0=2 Вт/см2, ТКR = -5 × 10-4 ).

Для резистора R4 (rs опт = 150 Ом/ð) – нихром Х20Н80 ГОСТ 2238-58 (rs = 50 Ом/ð, P0=2 Вт/см2, ТКR = -2.25 × 10-4)

            Проводим проверку правильности выбранного материала с точки зрения точности изготовления резисторов.

            Точность изготовления резистора зависит от погрешности Kф (gКф), от темпрературной погрешности (gRt°), погрешности воспроизведения удельного сопротивления резистивной пленки (grs), от погрешности старения (gст) и от погрешности сопротивления на переходных контактах (gRпк):

gR = gКф + grs + gRt° + gRст + gRпк

Погрешность Кф определяет точность геометрических размеров резистора:

gКф = gR - grs - gRt° - gRст - gRпк

Погрешность Кф зависит от погрешности геометрических размеров:

Погрешность воспроизведения удельного сопротивления зависит от условий нанесения пленки. В условиях стандартной технологии и серийного производства, grs= 5%.

Температурная погрешность зависит от ТКR:

gRt° = aR (Tmax - 20°C)

Погрешность старения зависит от материала пленки, защиты и условий эксплуатации:

gRст = 3%

Погрешность переходных контактов зависит от геометрических размеров контактных площадок и площади перекрытия их и резистивной пленки.

gRпк = 1%

Погрешность Кф для первого материала (кермет):

gRt° = -5 × 10-4 (55 - 20) = -1.75%

gКф = 30 - 5 + 1.75 -3 -1 = 22.75%

            Погрешность Кф для второго материала (нихром):

gRt° = -2.25 × 10-4 (55 - 20) = -0.79%

gКф =  25 - 5 + 0.79 -3 -1 = 16.79%

            Определяем геометрические размеры резисторов по значению коэффициента формы.

            Так как коэффициент формы лежит в пределах от 1 до 10, то наиболее оптимальной будет прямоугольная форма резистора.

bрассч ³ max íbточн., bmin, bрý

Для масочного способа получения конфигурации bmin = 200мкм.

bрассч= 200 мкм

bтоп - ближайшее кратное шагу координатной сетки. При масштабе 20:1 шаг координатной сетки равен 50 мкм.

bтоп = 200 мкм

lрассч = bрассч × Кф= 200 × 2.2 = 440 мкм

lполн = lтоп + 2e

e = 20 мкм

lтоп = 450 мкм

lполн = 450 + 40 = 490

Определяем площадь, которую будет занимать резистор на подложке.

S = b × lполн = 200 × 490 = 98000 мкм

            Результаты расчета резисторов при помощи программы представлены в таблице 3.

Таблица 3

Результаты расчета тонкопленочных резисторов

3.1.2 Методика расчета тонкопленочных конденсаторов

            Расчет сводится к опредению площади перекрытия обкладок.

            Минимальная толщина диэлектрического слоя ограничена требованием получения сплошной пленки без сквозных отверстий и с заданной электрической прочностью. Минимальная толщина диэлектрика определяется по формуле:

dmin = KзUраб/Eпр = 3 × 12/3 × 106 = 0.12 мкм

Kз - коэффициент запаса электрической прочности. Для пленочных конденсаторов Kз=3;

Uраб - рабочее напряжение;

Eпр - электрическая прочность материала диэлектрика.

            Определяем удельную емкость конденсатора, исходя из условия электрической прочности:

C0V = 0.0885e/d = 0.0885 × 5.2/0.12 × 10-4 = 383 Пф/мм2

                Оцениваем относительную температурную погрешность:

gCt = aC (Tmax - 20°C) = 1.5 × 10-4 (55 - 20) = 0.52%

aC - ТКС материала диэлектрика;

Tmax - максимальная рабочая температура микросхемы.

            Суммарная относительная погрешность емкости конденсатора определяется по формуле:

gC = gС0 + gSдоп + gCt + gCст

            Относительная погрешность удельной емкости зависит от материала и погрешности толщины диэлектрика и составляет 5%:

gС0 = 5%

            Относительная погрешность, обусловленная старением пленок конденсатора зависит от материала и метода защиты и обычно не превышает 3%:

gCст = 3%

            Допустимая погрешность активной площади пленочного конденсатора зависит от точности геометрических размеров, формы и площади верхних обкладок и определяется по формуле:

gSдоп = gС - gC0 - gCt - gCст

gSдоп ³ gS

DL - погрешность длины верхней обкладки. При масочном способе получения конфигурации DL=0.01 мм.

Расчет площади производим из условия квадратной формы обкладок (L=B, Кф=1/2)

C0 £ íC0 точн, C0V ý

C0 = 383 Пф/мм2

            Наиболее целесообразно выбрать материал стекло электровакуумное C41-1 с C0 = 400 Пф/мм2, но так как рабочее напряжение данного материала - 6.3 В, а рабочее напряжение конденсатора - 12 В, то данный материал не подходит и нужно выбрать другой материал - стекло электровакуумное C41-1 с C0 = 200 пФ/мм2 и рабочим напряжением 12.6 В.

Определяем коэффициент формы:

Кф= C/C0= 430/200 = 2.15

Так как Кф лежит в пределах от 1 до 5, то коэффициент, учитывающий краевой эффект K=1.3.

            Определяем площадь верхней обкладки:

S=C/C0K=1.654 мм2

            Определяем размеры верхней обкладки конденсатора:

L=B=ÖS=1.29мм

            Определяем размеры нижней обкладки:

Lн=Bн=L+2q

Размер перекрытия нижней и верхней обкладок q=0.2мм.

Lн=Bн=1.68мм

            Определяем размеры диэлектрика:

Lд=Bд=Lн +2f

Размер перекрытия диэлектрика и нижней обкладки f = 0.1мм.

Lд=Bд=1.88мм

    Результаты расчета конденсаторов при помощи программы представлены в таблице 4.

Таблица 4

Результаты расчета тонкопленочных конденсаторов

3.2 Программы расчета пассивных элементов

3.2.1 Программа расчета тонкопленочных резисторов

CLS

PRINT : PRINT "----------------"

INPUT "Номинал резистора, Ом"; r

INPUT "Удельное сопротивления резистивной пленки, Ом/квадрат"; r0

kf = r / r0

PRINT "Кф="; kf

deltaL = .01

deltaB = .01

INPUT "Погрешность Кф"; Fkf

INPUT "Рассеиваемая мощность P0 в Вт/см^2 * 10^-3"; p0

p0 = 2

INPUT "Мощность резистора P в мВт"; p

bt = ((deltaB + deltaL / kf) / Fkf) * 1000

br = SQR(p / (p0 * 10 ^ -3 * kf))

bmin = 200

PRINT "Bточн = "; bt; "мкм"

PRINT "Bр    = "; br; "мкм"

PRINT "Bmin  = "; bmin; "мкм"

bras = bt

IF br > bras THEN bras = br

IF bmin > bras THEN bras = bmin

PRINT "----------> Bрасч="; bras

INPUT "Bтоп - ближайшее кратное шагу координатной сетки. Bтоп="; btop

lras = bras * kf

e = 20

PRINT "Lрасч = ;"; lras

INPUT "Lтоп - ближайшее кратное шагу координатной сетки. Lтоп="; ltop

lpoln = ltop + 2 * e

S = btop * lpoln

PRINT "Площадь S="; S

END

3.2.2 Программа расчета тонкопленочных конденсаторов

CLS

INPUT "C="; c

INPUT "C0="; c0

cc0 = c / c0

PRINT "c/c0"; cc0

IF cc0 >= 5 THEN k = 1

IF cc0 >= 1 AND cc0 < 5 THEN k = 1.3

PRINT "k="; k

s = c / (c0 * k)

PRINT "S="; s

L = SQR(s)

PRINT "L="; L

b = s / L

PRINT "B="; b

q = .2

f = .1

ln = L + 2 * q

bn = ln

PRINT "Lн="; ln

PRINT "Bn="; bn

ld = ln + 2 * f

bd = ld

PRINT "Lд="; ld

PRINT "Bд="; bd

END

3.3 Расчет площади подложки

            Расчет площади подложки сводится к определению суммы площадей резисторов, конденсаторов, навесных элементов, внутренних и всешних контактных площадок.

Площадь платы, необходимая для размещения топологической структуры ИМС, определяют исходя из того, что полезная площадь платы меньше ее полной площади, что обусловлено технологическими требованиями и ограничениями. С этой целью принимают  коэффициент запаса K, значение которого зависит от сложности схемы и способа ее изготовления составляет 2-3. Для данной схемы K=3.

Наиболее целесообразно выбрать размер платы 5x6мм, но, так как в схеме все внешние контактные площадки расположены в один ряд, необходимо выбрать размер платы 8x15мм.

3.4 Оценка теплового режима

            Расчет сводится к определению температуры транзисторов и всех резисторов.

Нормальный тепловой режим обеспечивается при выполнении условий:

Tэ=Tc max + Qк + Qэ £ Tmax доп,

Tнк=Tc max+ Qк + Qэ + Qвн £ Tmax доп,

где Tmax - максимальная температура окружающей среды в процессе эксплуатации;

Т max доп - максимальная допустимая рабочая температура элементов и компонентов, заданная ТУ.

Qк - перегрев корпуса;

Qэ - перегрев элементов;

Qвн - перегрев областей p-n переходов транзисторов.

            Максимальная температура при эксплуатации интегральной микросхемы K2TC241 TCmax = 55°С. Потребляемая мощность - 150мВт.

Перегрев корпуса определяется конструкцией корпуса и мощностью рассеяния микросхемы, особенностей монтажа, способа охлаждения и оценивается по формуле:

Qк= PS/(a × St),

где PS - потребляемая мощность микросхемы;

a = 3 × 102 Вт/м2 - коэффициент теплопередачи при теплоотводе через слой клея.

St = 8 × 15 мм - площадь контакта корпуса с теплоотводом.

Следовательно:

Qк = 150 × 10-3 /(3 × 102 × 8 × 15 × 10-6) = 16.7°C

            Внутренний перегрев областей p-n переходов  транзистора КТ359А относительно подложки определяется по формуле:

Qвн = Rt вн × Pэ,

где Pэ - рассеиваемая мощность транзистора;

RTвн - внутреннее тепловое сопротивление, зависящее от конструктивного исполнения.

Для транзистора КТ359А RTвн= 860°С/Вт, Pэ=15мВт.

Следовательно:

Qвн = 860 × 15 × 10-3 = 12.9°C

Перегрев элементов за счет рассеиваемой мощности PЭ вычисляется по формуле:

Qэ = Pэ × RT,

где Pэ - рассеиваемая можность элемента;

Rт - внутреннее тепловое сопротивление микросхемы:

RТ = [(hп/lп) + (hк/lк)] × [1/(B×L)],

где hп = 0.6мм - толщина подложки;

hк = 0.1мм - толщина клея.

lп = 1.5 Вт/м с - коэффициент теплопроводности материала подложки;

lк = 0.3 Вт/м с - коэффициент теплопроводности клея;

B,L - размеры контакта тепловыделяющего элемента с подложкой;

Расчет перегрева всех элементов и компонентов за счет рассеиваемой мощности представлен в таблице 5.

Таблица 5

Результаты расчета перегрева элементов и компонентов интегральной микросхемы К2ТС241 (RST-триггер)

Максимальная допустимая рабочая температура всех материалов резистивной пленки составляет 125°С.

            Максимальная рабочая температура транзистора КТ359А составляет 85°C.   

TКТ359А = 55 + 16.7 + 0.0195 + 12.9 = 84.6°C < 85°C

TR1(R7) = 55 + 16.7 + 0.675 = 72.3°C < 125°C

TR2(R5) = 55 + 16.7 + 0.075 = 71.78°C < 125°C

TR3(R8,R9) = 55 + 16.7 + 0.09 = 71.79°C < 125°C

TR4 = 55 + 16.7 + 0.057 = 71.8°C < 125°C

            Расчет показал, что для данной схемы обеспечивается допустимый тепловой режим, так как температура самого теплонагруженного элемента (транзистор КТ359А) не превышает максимально допустимой.

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

            Была разработана схема соединений, проведен расчет пленочных резисторов, конденсаторов, площади подложки, разработана и вычерчена топология.

1.   И.Е. Ефимов, И.Я. Козырь, Ю.И. Горбунов Микроэлектроника.- М.: «Высшая школа»,

1986.

2. И.А. Малышева Технология производства интегральных микросхем.- М.: Радио и связь,

1991.

3.   И.Н. Букреев Б.М. Мансуров В.И. Горячев Микроэлектронные схемы цифровых

устройств.- М.: «Советское радио», 1975.

4.   Д.В. Игумнов, Г.В. Королев, И.С. Громов «Основы мкроэлектроники».- М.: «Высшая

школа», 1991.

5.   Л.А. Коледов Конструирование и технология микросхем.- М.: «Высшая школа», 1984.

6.   И.Е. Ефимов, И.Я. Козырь, Ю.И. Горбунов Микроэлектроника.- М.: «Высшаяшкола»,

1987.

7.   Н.Н. Калинин, Г.Л. Скибинский, П.П. Новиков Электрорадиоматериалы.- М.: «Высшая школа», 1981.

8.   А.Б. Ломов, Проектирование гибридных интегральных микросхем. - М.: «МКИП», 1997.