Розробка конструкції гібридної мікросхеми

Зміст

Вступ

Аналіз завдання

Вибір і техніко-економічне обґрунтування збільшеного технологічного процесу

Вибір матеріалів і компонентів

Розрахунок і обґрунтування конструкцій плівкових елементів

Розрахунок і обґрунтування розмірів плати

Розробка топології

Вибір корпусу

Висновок

Список використаної літератури

Вступ

Сучасний етап розвитку радіоелектроніки характеризується широким використанням інтегральних мікросхем в усіх радіотехнічних системах і апаратурі.

Це пов’язано з значним ускладненням вимог і задач, які вирішуються РЕА, що призвело до росту числа елементів в ній. В цих умовах важливого значення набувають проблеми підвищення надійності апаратури та її елементів і мініатюризації електрорадіоелементів та самої апаратури. Ці проблеми успішно вирішуються із застосуванням мікроелектроніки. Мікроелектроніка - це розділ електроніки, який охоплює дослідження та розробку якісно нового типу електронних апаратів, інтегральних мікросхем та принципів їх використання.

Мікроелектроніка характеризується тим, що замість виготовлення окремих деталей, з яких будується радіотехнічний пристрій чи апаратура, виготовляють окремі функціональні вузли - мікросхеми. Формування інтегральних мікросхем в мікро об’ємі твердого тіла здійснюється за рахунок використання досліджень фізики твердого тіла та електронного машинобудування на основі якісно нової технології.

Існує два основних метода створення інтегральних мікросхем:

метод локального впливу на мікро ділянки твердого тіла;

метод виникнення схем в твердому тілі завдяки нанесенню тонких плівок різних матеріалів на спільну основу з одночасним формуванням з них мікроелементів та їх з’єднань (плівок ІМС).

Гібридна інтегральна схема - це мікросхема, яка являє собою комбінацію плівкових пасивних елементів та дискретних активних компонентів, розташованих на спільній діелектричній підложці.

Аналіз завдання

Основна задача даної курсової роботи полягає в розробці конструкцій інтегральної мікросхеми і технологічного напрямку її виробництва згідно із заданою у технічному завданні принциповою електричною схемою.

Об’єкт проектування - гібридна мікросхема. В порівнянні із напівпровідниковими інтегральними схемами гібридні мікросхеми, із погляду виробництва, мають ряд переваг:

забезпечують широкий діапазон номіналів;

менші межі допусків і кращі електричні характеристики пасивних елементів.

В якості навісних компонентів в ГІС використовуються мініатюрні дискретні конденсатори, резистори, котушки індуктивності, дроселі, трансформатори.

В усному завданні навісними компонентами є транзистори.

Наявність певного числа контактних зварних з’єднань обумовлює меншу надійність ГІС у порівнянні із напівпровідниковою ІС. Проте можливість проведення попередніх іспитів і вибору активних і пасивних навісних компонентів дозволяє створити ГІС і мікрозбірки достатньо високої надійності.

В даній курсовій роботі об’єктом проектування є диференційний підсилювач К118УД1, який містить в собі шість резисторів і чотири транзистора.

Вихідні дані наведені в таблиці 1:

Таблиця 1.

Технологія виготовлення даної мікросхеми - тонкоплівкова.

Креслення схеми електричної принципової наведено у Додатку 1.

Вибір і техніко-економічне обґрунтування збільшеного технологічного процесу

Для формування конфігурацій провідникового, резистивного та діелектричного шарів використовують різні методи: масковий (відповідні матеріали напилюють на підкладку через з’ємні маски); фотолітографічний (плівки наносять на всю поверхню підкладки, після чого витравляють певні ділянки).

Провідне місце в технології виготовлення масок зберігає фотолітографія. Цей метод дозволяє отримати конфігурацію елементів будь-якої складності і має більшу точність у порівняні з масковим методом, однак він більш складний, так як містить в собі ряд прецензійних операцій. Метод фотолітографії використовують при виготовлені топологічно-складних структур чи одночасно великої кількості елементів. Цей метод дозволяє формувати плівкові резистори з контактними площадками та з’єднаннями, які знаходяться в середині схеми.

Існує два методи фотолітографії: одиночна та подвійна фотолітографія.

Одиночна фотолітографія може використовуватися при електричному осаді електропровідних матеріалів. Але цей метод не можна застосовувати для створення багатошарових конструкцій гібридних схем.

Метод подвійної фотолітографії рекомендується при виробництві плівкових мікросхем, які містять у собі провідники та резистори з двох різних (високоомного та низькоомного) резистивних матеріалів.

Взагалі фото літографічний метод використовують у масовому виробництві. Досягнена точність виготовлення резисторів цим методом сягає 1%. Таким чином враховуючи те, що дана мікросхема містить низько та високоомні резистори для її виготовлення обираємо метод подвійної фотолітографії.

В технічному виробництві мікросхем існує три основних методи нанесення тонких плівок на підкладку:

термічне (вакуумне) напилювання;

іонно-плазмове напилювання;

електрохімічний осад.

У даному випадку доцільно було б використати іонно-плазмовий метод, який полягає в тому, що іонізовані молекули інертного газу під впливом зовнішнього електричного поля бомбардують мішень (матеріал для напилювання). Цим самим вибивають молекули матеріалу, які осаджуються на поверхні підкладки.

Даний метод має цілий ряд переваг. Наприклад, він набагато економічні ший з точки зору затрат енергії, в термічному методі мішень потрібно нагрівати до високої температури, що також забирає і час. По друге процес напилювання легше контролювати, змінюючи лише електричне поле між мішенню і підкладкою. В термічному ж напилювання процес випарювання й осадження можна контролювати лише змінюючи температуру (яка змінюється впродовж деякого відрізку часу).

Вибір матеріалів і компонентів

Параметри тонкоплівкових резисторів визначаються властивостями використовуваних резистивних матеріалів, товщиною резистивної плівки та умовами її формування. Так як проектована мікросхема містить у собі низькоомні та високоомні резистори, то для її реалізації поділимо резистори на дві групи так, щоб першої групи було менше другої групи. Для кожної групи резисторів окремо обираємо матеріал.

До першої групи:

До другої групи:

Отже матеріал, для напилювання резисторів, вибираємо користуючись нашими розрахунками, з таблиць вказаних у методичних вказівках до даної курсової роботи [3], так, щоб матеріал резистивної плівки з питомим опором був найближчий до обчисленого При цьому необхідно, щоб температурний коефіцієнт опору (ТКО) матеріалу був мінімальний, а питома потужність розсіювання - максимальною.

Для першої групи матеріал для напилювання:

резистивної плівки: сплав РС-3001 (ЕТО 021.019 ТУ);

контактних площадок: золото із підшаром хрому (ніхрому).

Для першої групи матеріал для напилювання:

резистивної плівки: кермет К-50С (ЕТО 021.013 ТУ);

контактних площадок: золото із підшаром хрому (ніхрому).

Матеріал для створення доріжок та контактних площадок обираємо золото 3л999.9, воно надасть необхідну провідність, корозійну стійкість, можливість пайки та зварювання.

Матеріал для підкладки вибираємо сітал СТ50-1 тому, що він має добру оброблюваність і здатний витримувати різкі перепади температур, високий електричний опір.

Параметри обраних матеріалів для тонко плівкових резисторів:

сплав РС-3001:

кермет К-50С:

Перевіримо правильність вибору матеріалу з погляду точності виготовлення резисторів.

Повна відносна похибка виготовлення плівкового резистора складається із суми похибок:

,

де - похибка відповідно коефіцієнта форми і відтворення розміру резистивної плівки;

- температурна похибка;

- похибка перехідних опорів контактів;

- похибка, обумовлена старінням плівки;

Похибка задана у вихідних даних та дорівнює .

Похибка коефіцієнта форми залежить від похибок геометричних розмірів резистора:

.

Похибка відтворення питомого поверхневого опору залежить від умов напилювання і матеріалу резистивної плівки. В умовах серійного виробництва її значення не перевищує 5%.

Температурна похибка залежить від ТКО матеріалу плівки:

Похибка обумовлена старінням плівки за рахунок повільної зміни структури плівки з часом і її окислювання. Вона залежить від матеріалу плівки й ефективності захисту, а також від умов збереження й експлуатації:

,

де - час,

- коефіцієнт старіння плівкового резистора, що визначає тимчасову нестабільність його опору.

.

Похибка перехідних опорів контактів визначається технологічними умовами напилювання плівок, питомим опором резистивної плівки і геометричними розмірами контактного переходу: довжиною перекриття і шириною резистора. Розмір .

Допустима похибка коефіцієнта форми:

Розраховане значення невід’ємне, а значить виготовити резистор необхідної точності з обраного матеріалу можливо.

Розрахунок і обґрунтування конструкцій плівкових елементів

Визначимо коефіцієнт форми для резисторів першої і другої групи і тип резистора (в залежності від ): для - резистор прямокутної форми типу „смужка”, у якого ; для - резистор прямокутної форми типу „смужка”, у якого ; для - резистор складної форми, складовий або меандр.

- резистор типу „смужка"

- резистор типу „смужка"

- резистор типу „смужка"

- резистор типу „смужка"

Для резисторів визначаємо мінімальну ширину резистора використовуючи умову: ,

де - мінімальне значення ширини резистора, обумовлене технологічними можливостями виготовлення;

- мінімальне значення ширини резистора, що забезпечує задану точність виготовлення;

- мінімальне значення ширини резистора, що забезпечує задану потужність розсіювання.

знаходимо за формулою:

,

де і - похибки ширини і довжини, що залежать від методу виготовлення. У даному випадку ; - коефіцієнт форми; - допустима похибка .

Мінімальне значення ширини резистора розраховуємо за формулою:

,

За ширину резистора приймається значення .

Визначаємо розрахункову довжину резистора за формулою: .

Розрахуємо площу, що займається резистором на підкладці:

.

Для перевірки знайдемо дійсну питому потужність і похибку резистора.

Резистор спроектований задовільно, якщо:

питома потужність розсіювання не перевищує припустимого значення :

.

похибка коефіцієнта форми не перевищує припустиму :

;

сумарна похибка не перевищує допуску

:

.

Розрахунок резисторів прямокутної форми, у яких :

Спочатку визначаємо довжину резистора, а потім ширину .

Розрахункове значення довжини резистора обираємо з умов:

,

де - мінімальне значення довжини резистора, обумовлене технологічними можливостями виготовлення;

- мінімальне значення довжини резистора, що забезпечує задану точність виготовлення;

- мінімальне значення довжини резистора, що забезпечує задану потужність розсіювання.

знаходимо за формулою:

Мінімальне значення довжини резистора розраховуємо за формулою:

За довжину резисторів приймаються значення:

Знайдемо ширину резисторів за формулою

:

Площа резисторів:

Виконуємо перевірку:

Програма для розрахунку наведена у Додатку 4.

Висновок: отже, в даному розділі ми визначили розміри плівкових елементів і виконали перевірку розрахунків, яка показала, що всі розрахунки виконані вірно.

Розрахунок і обґрунтування розмірів плати

Площу плати необхідно розрахувати для розміщення топологічної структури інтегральної схеми. Її визначаємо, виходячи з того, що корисна площа плати, що займається елементами, компонентами і контактними площадками, дещо менша її загальної площі, що зумовлена технологічними вимогами й обмеженнями. З цією метою приймають коефіцієнт використання плати , значення якого, в залежності від складності схеми і засобу її використання, складає 2...3:

,

де - кількість плівкових резисторів;

- площа і-го резистора;

- площа j-го конденсатора;

- кількість плівкових конденсаторів;

- кількість компонентів (навісних транзисторів, конденсаторів, діодів, резисторів, трансформаторів тощо);

- площа k-го елемента;

- кількість контактних площадок;

- площа l-ої контактної площадки.

Площа підложки:

Отже обраний типорозмір №12 з розмірами 2.5х4 мм.

.

Розробка топології

Розробку топології проводимо з урахуванням виконаних раніше розрахунків плівкових елементів у чотири етапи:

Розробка комутаційної схеми, тобто схеми взаємного розміщення елементів, компонентів та їхніх з’єднань на платі без урахування розмірів.

Розміщення і вибір форми плівкових елементів на платі, а також виконання трасування.

Оцінка якості топології і при необхідності її корегування.

Відпрацювання ескізів прошарків.

Загальні принципи для всіх етапів проектування топологічної структури:

мінімізація площі, що займається елементами, компонентами і схемою в цілому;

мінімізація числа перетинань між елементами з’єднань;

рівномірне розташування елементів і компонентів за площею;

мінімізація чисел використовуваних матеріалів для реалізації плівкових елементів;

підвищення ступенів інтеграції елементів і технологічних процесів.

Топологічне креслення наведено у Додатку 2.

Вибір корпусу

Основним засобом захисту ІМС від впливів дестабілізуючих факторів (температури, вологості, сонячної радіації, пилу, механічних впливів) є герметизація. Її здійснюють за допомогою навмисне розроблених конструкцій корпусів, в які розміщують ІМС чи нанесенням захисних матеріалів безпосередньо на поверхню ІМС.

Корпус ІМС повинен задовольняти такі вимоги:

Забезпечувати здійснення нормального електричного зв’язку між одними й електричної ізоляції між іншими елементами схеми. Конструкції і матеріал корпусу повинен гарантувати стабільність електричного параметру схеми в необхідних межах зміни зовнішніх умов.

Конструкція корпусу повинна забезпечувати відвід тепла від мікросхеми, розміщеної всередині корпусу.

Корпус виготовляється із матеріалів, інертних до хімічно-агресивних компонентів навколишнього середовища.

Корпус має бути достатньо міцним, щоб зберегти мікросхему від ушкоджень під час монтажу та експлуатації.

Мікросхема, що проектується має розміри підложки 2.5х4мм і чотирнадцять виводів. Найбільш підходящим є вибір метало-скляного корпусу В нього є необхідна кількість виводів і місце, яке виділено для розміщення підкладки, достатньо.

Креслення корпусу наведено у Додатку 3.

Висновок

При виконанні курсової роботи було отримано навички по розрахунку і розробці топології і конструкцій функціональних вузлів радіоелектронної апаратури у вигляді гібридної інтегральної схеми.

Були закріплені теоретичні знання та отримані практичні навички рішення інженерних задач по проектуванню мікроелектронних засобів.

Список використаної літератури

1. Коледов Л.А., Ильина Э.М. Микроэлектроника. - М.: Высш. шк., 1987. - Кн.4. Гибридные интегральные схемы. - 95с.

2. Методичні вказівки до курсового проектування з дисципліни „Основи мікроелектроніки та проектування мікросхем і мікрозбірок" для студентів фахів 7.091001 - „Виробництво електронних засобів"; 7.091003 - „Побутова електронна апаратура" / Укл.: О.В. Андріянов, В.А. Бойко, В.А. Мокрицький. - Одеса: ОДПУ, 2000. - 63 с.

3. Терещук Р.М., Терещук К.М., Сєдов С.А. Полупроводниковые приёмно-усилительные устройства: Справочник радиолюбителя. - "Наукова думка", Киев - 1981.