Производство гибридной интегральной микросхемы генератора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

Производство гибридной интегральной микросхемы генератора

Оглавление

Введение

1. Аналитический обзор

2. Разработка технических требований на микросхему

3. Выбор и обоснование конструктивно-технологического исполнения микросхемы

4. Расчет элементов и выбор навесных компонентов

4.1 Конструктивный расчет тонкопленочных резисторов

4.1.1 Расчет рассеиваемой мощности

4.1.2 Расчет конструктивных размеров резисторов

4.2 Выбор навесных компонентов

5. Разработка топологии ИМС

5.1 Выбор материалов

5.2 Определение размера платы и выбор типоразмера корпуса

5.3 Разработка коммутационной схемы

5.4 Оценка качества разработанной топологии

5.4.1 Расчет теплового режима

5.4.1.1 Расчет теплового режима резисторов

5.4.1.2 Тепловой расчет транзисторов

5.5 Расчет паразитных связей

5.6 Оценка надежности

6. Разработка и обоснование технологического маршрута изготовления ИМС

6.1 Подложки ГИС

6.2 Очистка поверхности и контроль подложек

6.3 Формирование элементов тонкоплёночных ГИС

6.3.1 Технология нанесения тонких плёнок

6.4 Операции контроля тонких плёнок

6.5 Разделение подложек на платы

6.6 Сборка микросхем

6.6.1 Монтаж плат в корпус

6.6.2 Монтаж навесных компонентов

6.6.3 Присоединение выводов

6.6.4 Герметизация

6.6.5 Термотоковая тренировка

7. Промышленная экология и безопасность производства

7.1 Анализ условий труда при изготовлении и контроле сборок микросхемы

7.2 Расчёт искусственного освещения

7.3 Расчет механической вентиляции

7.4 Расчет зануления

8. Экономическая часть. Обоснование потребности в данном устройстве на потребительском рынке

8.1 Организация и планирование проекта

8.1.1 Анализ рынка сбыта

8.1.2 Оценка конкурентной среды

8.1.3 Организационный план

8.2 Расчёт затрат и договорной цены

8.2.1 Расчёт затрат на материалы и покупные изделия

8.2.2 Специальное оборудование для научных целей

8.2.3 Основная заработная плата исполнителей

8.2.4 Дополнительная заработная плата

8.2.5 Страховые взносы (св)

8.2.6 Командировочные расходы

8.2.7 Контрагентские расходы

8.2.8 Накладные расходы

8.3 Оценка экономической целесообразности проекта

Заключение

Список литературы

Приложения

Введение

гибридный микросхема подложка технологический

Интегральная микросхема - это конструктивно законченное изделие электронной техники, выполняющее определенную функцию преобразования информации и содержащее совокупность электрически связанных между собой электрорадиоэлементов (ЭРЭ), изготовленных в едином технологическом цикле.

По способу изготовления различают полупроводниковые и пленочные интегральные микросхемы. В полупроводниковых интегральных микросхемах все ЭРЭ и часть межсоединений сформированы в приповерхностном слое полупроводниковой (обычно кремниевой) подложки. В пленочных интегральных микросхемах пассивные ЭРЭ изготовлены в виде совокупности тонких (менее 1 мкм) или толстых (10-50 мкм) пленок, нанесенных на диэлектрическую подложку. Гибридные интегральные микросхемы (ГИС) представляет собой комбинацию пленочных ЭРЭ с миниатюрными безкопусными дискретными приборами (полупроводниковыми интегральными микросхемами, транзисторами, диодами), расположенных на общей диэлектрической подложке. ЭРЭ, которые являются неотъемлемой составной частью интегральной микросхемы и не могут быть выделены из нее как самостоятельное изделие, называют элементами интегральной микросхемы, а дискретные активные ЭРЭ ГИС - навесными компонентами (или просто компонентами), подчеркивая тем самым, что их изготавливают отдельно в виде самостоятельных приборов, которые могут быть приобретены изготовителем ГИС как покупные изделия. В отличие от дискретных компонентов элементы интегральной микросхемы называют интегральными.

В совмещенных интегральных микросхемах, активные ЭРЭ выполнены в приповерхностном слое полупроводникового кристалла (как у полупроводниковой интегральной микросхемы), а пассивные нанесены в виде пленок на покрытую диэлектриком поверхность того же кристалла (как у пленочной интегральной микросхемы). Перечислим особенности интегральных микросхем как типа изделий электронной техники:

а) интегральная микросхема самостоятельно выполняет законченную, часто довольно сложную функцию. Она может быть усилителем, запоминающим устройством, генератором и т. д. Ни один из ЭРЭ самостоятельно таких функций выполнять не может, для этого его следует соединить с другими дискретными ЭРЭ по отдельной схеме;

б) выпуск и применение интегральных микросхем сопровождаются существенным уменьшением массы, габаритов и стоимости радиоэлектронной аппаратуры, снижением потребляемой мощности и повышением надежности;

Электронные приборы и устройства используются в аппаратуре связи, автоматики, вычислительной и измерительной техники, приборостроении. Электронная промышленность, научной основой развития которой являются достижения электроники, серийно производит вакуумные, газоразрядные, полупроводниковые, фотоэлектронные, пьезоэлектрические приборы. Начиная с 60-х годов особое место в номенклатуре изделий электронной промышленности занимают интегральные микросхемы (ИМС), микропроцессоры и микросборки.

Создание микроэлектронной аппаратуры явилось результатом процесса комплексной микроминитюаризации электронно-вычислительных средств (ЭВС), аппаратуры связи, устройств автоматики. Этот процесс возник в связи с потребностями развития промышленного выпуска изделий электронной техники на основе необходимости резкого увеличения масштабов их производства, уменьшения их массы, занимаемых ими объемов, повышения их эксплуатационной надежности.

Особая роль отводится микроэлектронике в развитии вычислительных средств, поскольку умелое, широкое использование электронно-вычислительной техники - один из важнейших факторов происходящей научно-технической революции.

В данном проекте разработан комплект документации, необходимый для производства гибридной интегральной микросхемы генератора. В гибридных интегральных микросхемах пассивные элементы выполняются по тонкопленочной технологии, а активные элементы являются навесными компонентами. Такой метод проектирования ИМС обеспечивает большие производственно-экономические выгоды и расширяет схемотехнические возможности выбора оптимальных режимов работы ИМС. Гибридные ИМС создаются на подложке с хорошими изоляционными свойствами, поэтому материал подложки практически не оказывает влияния на электрические связи элементов, как это имеет место в полупроводниковых ИМС.

1. Аналитический обзор

В проекте разрабатывается микросхема кодового замка. Схема электрическая принципиальная и схема включения микросхемы приведены на рисунках 1.1 и 1.2 соответственно

Рисунок 1.1 Схема электрическая принципиальная.

В данном устройстве роль ключа играет постоянный резистор определенного сопротивления, вмонтированный в штекер стереотелефонов. А роль замочной скважины возложена на соответствующее гнездо, которое должно быть хорошо замаскировано, например, под отверстие от гвоздя. Если в это гнездо вставить просто перемычку или стереотелефоны, или резистор другого сопротивления, ничего не произойдет, электромагнит фиксации дверной задвижки тайника не сработает и он останется запертым.

Кодовое устройство выполнено по схеме измерительного моста сопротивления. Плечи моста состоят из резисторов R1, R2+Rключ и R3, R4. Мост будет сбалансирован только тогда, когда отношение R1/(R2+R ключа) будет равно отношению R3/R4. То есть в данном случае сумма R2 и R ключ должна быть равна R1. Если это соотношение выполняется, мост будет сбалансирован и напряжение в диагонали будет равно нулю. В результате транзисторы VT1 и VT2 окажутся закрытыми, в свою очередь, транзисторы VT3 и VT4 также окажутся закрытыми. Если условие балансировки моста не выполняется, в его диагонали появится напряжение, которое приведет к открыванию одного из транзисторов VT1 или VT2, ток коллектора VT2 или VT3 откроет транзистор VT4 и на его коллекторе установится напряжение близкое к логическому нулю.

Исполнительное устройство состоит из триггера на микросхеме DD1 и транзисторного ключа на транзисторах VT5 и VT6, в коллекторной цепикоторого включена обмотка электромагнита блокировки замка или электромагнитного реле, управляющего запирающим устройством тайника. Кнопка SB1 служит для запирания замка после закрывания дверцы тайника. При нажатии на нее триггер устанавливается в нулевое состояние и транзисторный ключ оказывается закрытым, электромагнит или реле -- обесточено. Теперь при втыкании в гнездо штекера с кодовым резистором транзистор VT4 закрывается и на его коллекторе устанавливается единица. Триггер переходит в единичное состояние и ключ пропускает ток через электромагнит или реле. После вынимания штекера схема останется в таком состоянии до нажатия кнопки SB1.

При настройке резисторы R1 и (R2 + R ключ) могут выбираться в пределах 10--100 кОм, важно соблюдение приведенной выше формулы. Все детали, за исключением катушки YA1 электромагнита или реле и гнезда для подключения «кодового» резистора, смонтированы на одной компактной печатной плате с односторонним монтажом. Транзисторы могут быть с любыми буквенными индексами, но транзисторы моста VT1 и VT2 должны быть одинаковыми. Электромагнит взят готовый с подвижным сердечником. Питание устройства возможно от источника б... 15 В, но настройку нужно производить для рабочего напряжения (если схема будет работать от 9 В, то и настраивайте при таком питании), к тому же питание нужно стабилизировать.

2. Разработка технических требований на микросхему

Технические условия (ТУ) на ИМС представляют собой комплекс основных требований к ней и определяют ее выходные параметры, условия эксплуатации и хранения.

Общие технические условия (ОТУ) на ИМС широкого применения. Согласно ГОСТ 18725-73, ОТУ содержат требования к электрическим параметрам, конструкции, устойчивости к механическим и климатическим воздействиям, надежности, долговечности и сохраняемости.

Требования к электрическим параметрам и режимам. Электрические параметры ИМС при изготовлении, хранении и эксплуатации в режимах и условиях, допускаемых в технической документации на ИМС конкретных типов, должны соответствовать определенным нормам. Согласно ГОСТ 17230-71, предпочтительным является следующий ряд номинальных значений: 1,2; 2,4; 3,0; 4,0; 5,2; 6,0; 9,0; 12,0; 15,0; 24,0; 30,0; 48,0; 100; 150; 200 В.

Руководствуясь данным рядом и параметрами схемы, приведенными в задании, выбираем напряжение питания 9 В.

Требования к конструкции. Габаритные и присоединительные размеры, внешний вид и масса ИМС должны соответствовать требованиям, установленным в технической документации на ИМС конкретных типов. Выводы ИМС должны выдерживать растягивающие усилия, и изгибы, легко паяться и свариваться.

Требования к устойчивости при механических повреждениях. ИМС должны сохранять параметры в пределах норм, установленных технической документацией в соответствии с группой жесткости согласно ГОСТ 16962-71 в процессе и после воздействия механических нагрузок: вибрационных с частотой 1 - 2000 Гц и максимальным ускорением 10 - 20 g, многократных ударов длительностью 2 - 6 мс с ускорением 75 -150 g, линейных нагрузок с максимальным ускорением 25- 2000 g.

Требования к устойчивости при климатических воздействиях. ИМС должны сохранять параметры в пределах норм, установленных технической документацией, в процессе и после воздействия на них следующих климатических факторов: температуры воздуха с верхними значениями + 55, +70, +85, + 100, +125, + 155и нижними значениями - 10, - 25, - 40, - 45, - 55, - 60, изменения температур от верхнего предела до нижнего; относительной влажности 98% при температуре + 35. ИМС должны допускать эксплуатацию после их транспортировки при температуре - 50. ИМС в корпусном исполнении, предназначенные для эксплуатации в условиях тропического климата, должны быть устойчивыми к длительному воздействию влаги, соляного тумана, и среды, зараженной плесневыми грибами.

Разрабатываемая микросхема генератора предназначена для использования в бытовой аппаратуре. Принимаем верхнее значение температуры окружающей среды + 55, а нижнее - 25.

Требования к надежности. Минимальная наработка ИМС в указанных режимах и условиях должна быть не менее 15000 ч. Интенсивность отказов ИМС в режимах и условиях работы, соответствующих ТУ, не должна превышать 3,7•10^-5 (ч^-1) для микросхем первой и второй степени интеграции и 5•10^-5 (ч^-1) для ИМС третьей - шестой степени интеграции.

Разрабатываемая микросхема генератора предназначена для использования в бытовой аппаратуре, поэтому минимальная наработка разрабатываемой ГИС принимается за 15000ч.

Срок хранения ИМС. Для ИМС в корпусном исполнении, размещенных в упаковке предприятия изготовителя, срок хранения в отапливаемых помещениях не менее 6 лет. Срок хранения ИМС исчисляется с момента изготовления.

Маркировка. На каждом корпусе ИМС должны быть отчетливо нанесены: товарный знак предприятия - изготовителя, условное обозначение типа ИМС, месяц и две последние цифры года изготовления, обозначение первого вывода, если он не указан другими способами. Маркировка должна оставаться прочной и разборчивой при эксплуатации ИМС в режимах и условиях, оговоренными в ТУ.

Упаковка. Все ИМС должны быть упакованы в потребительскую тару, исключающую возможность их повреждения и деформацию выводов, и уложенных в картонные коробки, куда вкладывают паспорт.

3. Выбор и обоснование конструктивно-технологического исполнения микросхемы

Основным достоинством ИМС является их весьма высокая надежность, малая масса, размеры ИМС и энергопотребление.

По конструктивно-технологическом исполнении, ИМС подразделяют на три большие группы: полупроводниковые, гибридные и прочие (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 - Конструктивное исполнение ИМС

Классификация ИМС по степени интеграции представлена в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Классификация ИМС по степени интеграции

Уровень интеграции	Количество элементов и компонентов
	Цифровые ИМС	Аналоговые ИМС
	МДП	Биполярные
МИС	до 100	до 100	до 30
СИС	свыше 100 до 1000	свыше 100 до 500	свыше 30 до 100
БИС	свыше 1000 до 10000	свыше 500 до 2000	свыше 100 до 300
СБИС	свыше 10000	свыше 2000	свыше 300

В настоящее время накоплен достаточный опыт в технологии микроэлектронных изделий, для того чтобы определить, какой из конструктивно-технологических вариантов больше всего соответствует данному типу схемы. В большинстве случаев микросхему можно реализовать любым из существующих конструктивно-технологических способов, но ее изготовление наиболее целесообразно и экономично при использовании какого-то определенного варианта.

Преимущества гибридных ИМС по сравнению полупроводниковыми.

Гибридные интегральные микросхемы по сравнению с полупроводниковыми имеют ряд преимуществ: обеспечивают широкий диапазон номиналов, меньшие пределы допусков и лучшие электрические характеристики пассивных элементов (более высокая добротность, температурная и временная стабильность, меньшее число и менее заметное влияние паразитных элементов); позволяют использовать любые дискретные компоненты, в том числе полупроводниковые БИС и СБИС. В качестве навесных компонентов в ГИС применяют миниатюрные дискретные резисторы, конденсаторы, индуктивные катушки, дроссели, трансформаторы. При мелкосерийном производстве ГИС дешевле полупроводниковых (примерно одной и той же функциональной сложности) ИМС. Подготовка персонала для производства ГИС сравнительно проста.

Если для создания микроэлектронного изделия необходимы пассивные элементы и компоненты высокого качества, предпочтительнее выполнить его в виде ГИС.

Одна из основных характеристик микроэлектронного изделия - рассеиваемая мощность. При гибридном исполнении можно обеспечить изготовление изделий достаточно большой мощности, что важно при создании аналоговых устройств, управляющих мощными выходными цепями.

Наличие большого числа контактных узлов, сварных соединений обусловливает меньшую надежность ГИС по сравнению с полупроводниковыми ИМС. Однако возможность проведения предварительных испытаний и отбора активных навесных и пассивных компонентов позволяет создавать ГИС достаточно высокой надежности.

Преимущества гибридных тонкопленочных ИМС по сравнению с толстопленочными:

1. Возможность получения без дополнительной подгонки более узких допусков на номиналы пассивных элементов.

2. Более высокая плотность размещения элементов на подложке.

3. Подложки тонкопленочных микросхем обладают меньшими высокочастотными потерями и имеют более высокую радиационную стойкость.

Заданную ИМС удобнее реализовать в гибридном конструктивно-технологическом варианте изготовления, так как в ней пассивных элементов (десять резисторов) больше чем активных элементов (четыре транзистора). Так же мощности рассеивания на элементах малы, что позволяет использовать тонкопленочную технологию, а не толстопленочную.

Таким образом, для разрабатываемой микросхемы выбираем гибридное тонкопленочное исполнение.

4. Расчет элементов и выбор навесных компонентов

4.1 Конструктивный расчет тонкопленочных резисторов

Конструктивный расчет тонкопленочных резисторов заключается в определении формы, геометрических размеров и минимальной площади, занимаемой резисторами на подложке. При этом необходимо, чтобы резисторы обеспечивали рассеивание заданной мощности при удовлетворении требуемой точности в условиях существующих технологических возможностей. Параметры тонкопленочных резисторов определяются свойствами применяемых резистивных материалов, толщиной резистивной пленки и условиями ее формирования. Для создания ГИС необходимы резистивные материалы с удельным поверхностным сопротивлением от десятков до десятков тысяч Ом на квадрат. В качестве резистивных материалов используют чистые металлы и сплавы с высоким электрическим сопротивлением, а также специальные резистивные материалы - керметы. Широко распространены пленки хрома и тантала. В настоящее время промышленностью освоена большая группа металлосилицидных сплавов системы Сr-Si, легированные небольшим количеством железа, никеля, вольфрама.

Определяем оптимальное с точки зрения минимума площади под резисторами ГИС сопротивление квадрата резистивной пленки по формуле:

(4.1)

Ом

По таблице 3.4 (2) выбираем материал резистивной пленки с ближайшим к значением.

Выбранный материал: кермет К-50С (ЕТО.021,013 ТУ).

Материал контактных площадок - золото с подслоем нихрома.

Удельное поверхностное сопротивление резистивной пленки: с_s = 5000 Ом/?.

Диапазон номинальных значений сопротивлений: 500 ч 200000 Ом.

Допустимая удельная мощность рассеяния: P₀=2 Вт/см².

Температурный коэффициент сопротивления: б_R = -4•10^-4.

Проверяем правильность выбранного материала. Для этого определим допустимую погрешность коэффициента формы по формуле:

(4.2),

где - полная относительная погрешность изготовления пленочного резистора по ТЗ;

- погрешность воспроизведения величины резистивной пленки в %. Принимаем , так как серийное производство;

- температурная погрешность;

- погрешность, обусловленная старением пленки, вызвана медленным изменением структуры пленки во времени и ее окислением. Она зависит от материала пленки и эффективности защиты, а также от условий хранения и эксплуатации. Обычно для ГИС _Rст не превышает 3%. Выберем ;

- погрешность переходных сопротивлений контактов; при правильном подборе материала проводников и контактных площадок его значением пренебрегают.

Температурная погрешность определяется по формуле (4.3):

(4.3),

где - температурный коэффициент сопротивления материала пленки;

- максимальная температура разогрева элемента.

Подставив эти значения в (4.2) получим:

, поэтому делаем вывод, что материал выбран верно.

4.1.1 Расчет рассеиваемой мощности

Для оценки мощности рассеиваемой на резисторах преобразуем исходную схему. Для этого были замкнуты коллекторы с эмиттерами транзисторов VT1, VT2, VT3, VT4, контакты баз, отключены. Нам требуется оценить максимальную рассеиваемую мощность на резисторах, и лишний запас только увеличит надежность схемы, поэтому применение для расчетов настолько упрощенной эквивалентной схемы полностью оправдано.

Далее, исходя из законов Кирхгофа, найдем токи через резисторы, а затем рассеиваемую мощность на них

Результаты расчетов сведены в таблицу.

Таблица 4.1 - Мощности рассеиваемые на резисторах.

	R, Ом	I, мА	P, мВт
R1	100000	0,00080	0,0064
R2	24000	0,00080	0,0023
R3	1500	0,00170	0,0052
R4	1500	0,00170	0,0052
R5	7500	0,00047	0,0008
R6	7500	0,00047	0,0008
R7	7500	0,00047	0,0008
R8	4700	0,00077	0,003
R9	10000	0,00077	0,003
R10	24000	0,00080	0,0023
R11	1500	0,00180	0,0052
R12	1500	0,00180	0,0052

4.1.2 Расчет конструктивных размеров резисторов

Расчет резистора R9

Номинальное сопротивление резистора 10000 Ом.

Вычисляем коэффициент формы

К_ф>1, следовательно, расчет надо начинать с ширины резистора, как с наименьшего размера.

(4.4)

где - минимальная ширина резистора, определяемая возможностями технологического процесса, ;

- ширина резистора, определяемая точностью изготовления, мм;

- минимальная ширина резистора, определяемая возможностью рассеивания выделяемой мощности, мм.

Определим по формуле:

 (4.5)

где - погрешности воспроизведения ширины и длины резистора, зависящие от метода задания конфигурации;

- коэффициент формы резистора R1;

- допустимая погрешность коэффициента формы, определенная выше.

Подставляя численные значения в формулу (4.5), получим:

Определим по формуле:

(4.6)

где - мощность, рассеиваемая резистором R₁ (таблица 4.1);

- допустимая удельная мощность рассеяния материала,

.

Подставляя значения в формулу (4.6), получим:

Определяем расчетную ширину резистора исходя из условия (4.4):

.

Нормируем в соответствии с нормировочным множителем



где h=1 мм - шаг координатной сетки и выбран масштаб M 20 : 1

Расчетную длину резистора определяем по формуле:

(4.7)

По формуле (4.8 ), получим:

мм.

Нормируем полученную величину в соответствии с N:

Учтем перекрытия для совмещения пленочных элементов:

(4.8)

где е=0,2мм - размер перекрытия резистора и контактных площадок, зависящий от метода изготовления.

мм.

Определяем площадь, занимаемую резистором на подложке:

(4.9)

Подставив значения в формулу (4.9), получим:

.

Для проверки находят действительную удельную мощность и погрешность резистора. Резистор считается спроектированным правильно, если он удовлетворяет следующим условиям:

удельная мощность рассеяния не превышает допустимого значения для материала резистора :

(4.10)

погрешность коэффициента формы не превышает допустимого значения :

(4.11)

суммарная погрешность не превышает заданной из условий функционирования устройства погрешности :

. (4.12)

Воспользуемся приведенными выше формулами для проверки резистора R1:

;

;

.

Таким образом, условия выполняются, следовательно, резистор R1 спроектирован правильно.

Расчет резисторов R4, R7 - R10 полностью аналогичен расчету резистора R1. Для удобства сведем результаты расчетов в таблицу.

Таблица 4.2.1 - Параметры резисторов R1, R2, R5 - R10

Резистор	R, Ом	Kф	bтехн, мм	bточн, мм	bр, мм	bрасч, мм	lрасч, мм	lконстр, мм	bконстр, мм	lполн, мм	S, мм2
R1	100000	20	0,1	0,34	0,4	0,4	8	8	0,4	8,40	3,36
R2	24000	4,8	0,1	4	0,1	0,28	0,34	0,34	1,4	1,4	1,96
R5	7500	1,5	0,1	0,35	0,5	0,35	0,4	0,41	0,5	0,45	0,225
R6	7500	1,5	0,1	0,35	0,5	0,35	0,4	0,41	0,5	0,45	0,225
R7	7500	1,5	0,1	0,35	0,5	0,35	0,4	0,41	0,5	0,45	0,225
R8	4700	0,94	0,1	0,1	0,45	0,38	0,45	0,46	0,5	0,45	0,225
R9	10000	2	0,1	0,34	0,40	0,40	0,8	0,80	0,40	1,2	0,48
R10	24000	4,8	0,1	4	0,1	0,28	0,34	0,34	1,4	1,4	1,96

Таблица 4.2.2 - Поверочный расчет резисторов R1, R2, R5 - R10

Резистор	P0'<P0, Вт/см2	Кф '<Kф доп, %	R'<R, %
R1	1,33	3,33	8,93
R2	1,33	3,33	8,93
R5	0,74	3,33	8,93
R6	0,74	3,33	8,93
R7	0,74	3,33	8,93
R8	1,46	3,41	9,01
R9	1,43	4,10	9,70
R10	1,33	3,33	8,93

Расчет резистора R3

Номинальное сопротивление резистора 1500Ом.

Вычисляем коэффициент формы

К_ф<1, следовательно расчет надо начинать с длины резистора, как с наименьшего размера.

(4.13)

где - минимальная длина резистора, определяемая возможностями технологического процесса, ;

- длина резистора, определяемая точностью изготовления, мм;

- минимальная длина резистора, определяемая возможностью рассеивания выделяемой мощности, мм.

Определим по формуле:

(4.14)

где - погрешности воспроизведения ширины и длины резистора, зависящие от метода задания конфигурации;

- коэффициент формы резистора R3;

- допустимая погрешность коэффициента формы, определенная выше.

Подставляя численные значения в формулу (4.14), получим:

Определим по формуле:

(4.15)

где - мощность, рассеиваемая резистором R₂ (таблица 4.1);

- допустимая удельная мощность рассеяния материала, .

Подставляя значения в формулу (4.15), получим:

Определяем расчетную ширину резистора исходя из условия (4.13):

.

Нормируем в соответствии с нормировочным множителем

где h=1 мм - шаг координатной сетки и выбран масштаб M 20 : 1

Расчетную ширину резистора определяем по формуле:

(4.16)

По формуле (4.8 ), получим:

мм.

Нормируем полученную величину в соответствии с N:

Учтем перекрытия для совмещения пленочных элементов по (4.8),:

мм.

Определяем площадь, занимаемую резистором на подложке по (4.9):

.

Проверим условия (4.10), (4.11) и (4.12)

Воспользуемся приведенными выше формулами для проверки резистора R2:

;

;

.

Таким образом, условия выполняются, следовательно, резистор R2 спроектирован правильно.

Расчет резисторов R3, R5, R6 полностью аналогичен расчету резистора R2. Для удобства сведем результаты расчетов в таблицу.

Таблица 4.3.1 - Параметры резисторов R3, R4, R11, R12

Резистор	R, Ом	Kф	lтехн, мм	lточн, мм	lр, мм	lрасч, мм	bрасч, мм	lконстр, мм	bконстр, мм	lполн, мм	S, мм2
R3	1500	0,3	0,65	0,3	0,65	0,37	1,83	1,2	1,9	0,95	1,805
R4	1500	0,3	0,65	0,3	0,65	0,37	1,83	1,2	1,9	0,95	1,805
R11	1000	0,2	0,7	0,3	0,7	0,4	1,95	1,2	2	1,15	2,3
R12	1000	0,2	0,7	0,3	0,7	0,4	1,95	1,35	2	1,15	2,3

Таблица 4.3.2 - Поверочный расчет резисторов R2, R3, R5, R6

Резистор	P0'<P0, Вт/см2	Кф '<Kф доп, %	R'<R, %
R3	0,30	2,30	7,90
R4	0,30	2,30	7,90
R11	0,10	2,30	7,90
R12	0,10	2,30	7,90

4.2 Выбор навесных компонентов

В качестве компонентов ГИС применяются диоды и диодные матрицы, транзисторы и транзисторные матрицы, полупроводниковые ИМС, конденсаторы, индуктивности, дроссели, трансформаторы. Компоненты могут иметь жесткие и гибкие выводы. Способ монтажа компонентов на плату должен обеспечить фиксацию положения компонентов и выводов, сохранение его целостности, параметров и свойств, а также отвод теплоты, сохранение целостности ГИС при термоциклировании, стойкость к вибрациям и ударам.

В разрабатываемой микросхеме используются транзисторы К3157- транзисторы кремниевые планарные p-n-p малой мощности, бескорпусные с твердыми выводами.

КТ359В - транзисторы кремниевые планарные n-p-n малой мощности, бескорпусные с твердыми выводами.

Масса транзистора не более 0,005 г.

Внешний вид транзистора с габаритными размерами и обозначением выводов показан на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 - Внешний вид и основные размеры транзисторов КТ3157 и КТ359В: 1 - база; 2 - коллектор; 3 - эмиттер; 4 - коллектор

Электрические параметры:

Граничная частота при Uкэ=2В, Iэ=5мА не менее 300МГц

Статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером при Uкб=1В, Iэ=10мА: К3157 50 - 150

КТ359В 70 - 280

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер при Iк=10мА, Iб=1мА

не более 0,7В

Обратный ток коллектора при Uкб=15В не более 0,5мкА

Обратный ток эмиттера при Uэб=3,5В не более 1мкА

Емкость коллекторного перехода при Uкб=5В не более 5пФ

Емкость эмиттерного перехода при Uэб=0,1В не более 6пФ

Предельные эксплуатационные данные:

Постоянное напряжение коллектор-база 15В

Постоянное напряжение коллектор-эмиттер 15В

Постоянное напряжение эмиттер-база 3,5В

Постоянный ток коллектора 20мА

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора 15мВт

Температура перехода 373К

Температура окружающей среды от 223 до 358К

5. Разработка топологии ИМС

Исходными данными для разработки топологического чертежа являются:

схема электрическая принципиальная;

конструктивные размеры пленочных элементов;

габаритные размеры и расположение выводов навесных компонентов;

требования по расположению выводов для микросхем данного класса;

конструктивные и технологические ограничения при проектировании тонкопленочных ГИС (таблица 3.15 [1]).

5.1 Выбор материалов

Материал подложки. Для тонкопленочных гибридных интегральных схем рекомендуется использовать ситалл. Он хорошо обрабатывается, выдерживает резкие перепады температуры, обладает высоким электрическим сопротивлением, газонепроницаем, по сравнению со стеклами имеет большую теплопроводность и механическую прочность.

По таблице 3.1 [1] выбираем ситалл СТ50-1 (ТХО.735.062 ТУ) со следующими параметрами:

класс чистоты обработки поверхности 13 - 14;

температурный коэффициент линейного расширения при ;

коэффициент теплопроводности ;

диэлектрическая проницаемость при и .

Материал проводников и контактных площадок. Он должен иметь малое удельное сопротивление, хорошую адгезию к подложке, высокую коррозионную стойкость. Самым распространенным материалом тонкопленочных проводников и контактных площадок в ГИС повышенной надежности является золото с подслоем хрома, нихрома, титана. Подслой обеспечивает высокую адгезию, а золото - нужную проводимость, высокую коррозионную стойкость, возможность пайки и сварки.

В аппаратуре с менее жесткими требованиями к надежности в качестве проводников используют пленки меди или алюминия с подслоем хрома, нихрома, титана. Для предотвращения окисления меди и улучшения условий пайки или сварки ее покрывают никелем, золотом или серебром.

Алюминий обладает достаточно высокой коррозионной стойкостью и может использоваться как с защитным покрытием никеля для обеспечения возможности пайки, так и без него, если присоединение навесных компонентов и внешних контактов осуществляется сваркой.

По таблице 3.4 для используемых материалов пленочных резисторов рекомендуется золото с подслоем хрома. Но применение золота неэкономично и неоправдано, так как разрабатываемая микросхема предназначена для использования в бытовой аппаратуре. Поэтому в качестве материала проводников и контактных площадок будем использовать многокомпонентную систему: слой - алюминий А99 (ГОСТ 11069-58); подслой - хром (ГОСТ 5905-67).

5.2 Определение размера платы и выбор типоразмера корпуса

Определяем минимальную площадь платы. Ориентировочное значение находим по формуле [1]:

(5.1)

где - коэффициент запаса площади, определяемый количеством элементов в схеме, их типом и сложностью связей между ними, ориентировочно ;

- площади, занимаемые всеми резисторами и контактными площадками;

- суммарная площадь, занимаемая навесными компонентами.

Подставляя численные значения в формулу (5.1), получим:

По таблице 3.3 [1] - выбираем ближайший типоразмер платы №16, размеры платы 810 мм, площадь платы - .

Выбираем способ защиты ГИС. Основным способом защиты ИМС от воздействия дестабилизирующих факторов (температуры, влажности, солнечной радиации, пыли, агрессивных химических и биологических сред, механических воздействий) является герметизация. Ее осуществляют с помощью специально разработанных конструкций - корпусов, в которых размещают ИМС, либо нанесением защитных материалов непосредственно на поверхность ИМС.

Выбор типоразмера корпуса определяется:

размером монтажной площадки для установки платы;

максимальной высотой ИМС, равной толщине подложки плюс высота самого высокого навесного компонента;

числом выводов ИМС.

В соответствии с этими требованиями выбираем [1] металлостеклянный корпус 1203(151.15-1).

Данный корпус имеет следующие конструктивно-технологические характеристики [1]:

- масса, не более 2,0 г

- размеры монтажной площадки 17х8,3 мм

- мощность рассеяния при t=20^оС 2 Вт

- метод герметизации корпуса аргонодуговая сварка

5.3 Разработка коммутационной схемы

В соответствии с размером платы и расположением выводов разрабатываем коммутационную схему соединений элементов и компонентов.

Размещая элементы на плате необходимо соблюдать следующие основные правила: минимум длины соединений, минимум пересечений. Полученная коммутационная схема изображена на рисунке 5.1

Рисунок 5.1 - Коммутационная схема.

5.4 Оценка качества разработанной топологии

В соответствии с коммутационной схемой размещаем элементы и компоненты на плате, учитывая технологические ограничения. Сформированную топологию необходимо проверить по следующим критериям:

наличие паразитных емкостных и индуктивных связей;

обеспечение необходимого теплового режима;

надежность.

5.4.1 Расчет теплового режима

Конструкция ИМС должна быть такой, чтобы, теплота, выделяющаяся при ее функционировании, не приводила в наиболее неблагоприятных условиях эксплуатации к отказам элементов в результате перегрева. К тепловыделяющим элементам следует отнести, прежде всего, резисторы, активные элементы и компоненты. Пленочная коммутация ИМС благодаря малому электрическому сопротивлению и высокой теплопроводности металлических пленок способствует отводу теплоты от наиболее нагретых элементов и выравниванию температуры ГИС.

В случае, когда весь тепловой поток сосредоточен под элементом ИМС и направлен к подложке, при соотношении l, b>>h тепловой поток плоскопараллелен и тепловое сопротивление [1]:

R_T=(h_п/_п+ h_к/_к)/(bl), (5.2)

где R_T - тепловое сопротивление;

_п и _к - коэффициенты теплопроводности материала подложки и клея;

h_п и h_к - их толщины;

b и l - размеры контакта тепловыделяющего элемента с подложкой;

h=h_п+h_к.(5.3)

Для ситалловой подложки и эпоксидного клея:

_п=1,5 Вт/(м^оС); _к=0,3 Вт/(м^оС);

h_п=0,6 мм;

h_к=0,1 мм;

При уменьшении размеров источника тепла тепловой поток становится расходящимся, эффективность теплоотвода увеличивается и соответственно уменьшается тепловое сопротивление [1]. Это учитывается функцией (q,r):

R_Tэфф=R_T(q,r), (5.4)

q=l/2h

r=b/2h

где l, b - линейные размеры плоского источника теплоты.

Значения функции (q,r) находится по соответствующим графикам [1]

5.4.1.1 Расчет теплового режима резисторов

Расчет теплового режима резисторов R9. Значения q, r, h при l=1,2 мм, b=0,4 мм:

h=0,6+0,1=0,7 мм

q=1,2/(2•0,7)=0,86

r=0,4/(2•0,7)=0,29

По полученным данным находится значение функции (q,r) :

(q,r)=0,42.

По выражениям (5.2), (5.4) вычисляем значения R_T и R_Tэфф:

R_Tэфф=0,421527,78=641,7

Нормальный тепловой режим элементов обеспечивается при выполнении условия [1]:

T_э=Т_сmax+_к+_э< Т_{max доп}, (5.5)

где Т_сmax - максимальная температура окружающей среды в процессе эксплуатации: Т_сmax=55^оС;

_к - перегрев корпуса относительно температуры окружающей среды;

_э - перегрев элементов за счет рассеиваемой мощности;

Т_{max доп} - максимально допустимая рабочая температура. Т_{max доп} для рассчитываемых резисторов 125°С

Перегрев корпуса относительно температуры окружающей среды:

_к=PR_к, (5.6)

где P - суммарная мощность, рассеиваемая ИМС; P = 0,1Вт

R_к - тепловое сопротивление корпуса.

Тепловое сопротивление корпуса:

R_к=1/(S_T), (5.7)

Где - коэффициент теплопередачи, Вт/(м^2оС);

S_T - площадь теплового контакта корпуса с теплоотводом;

=310³ Вт/(м^2оС).

R_к=1/(310³141,110^-6)=2,36

_к=0,10262,36=0,24 ^оС

Перегрев элементов за счет рассеиваемой мощности:

_э=P_э R_Tэфф, (5.8)

где P_э - мощность элемента, Вт

_э=0,0064641,7=4,1 ^оС

T_э=55+0,24+4,1=59,35 ^оС<125 ^оС

Дальнейший тепловой расчет резисторов проводится аналогично расчету, приведенному выше. Данные по тепловому расчету резисторов приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Расчетные данные по тепловому расчету резисторов.

	q	r	RT,	RTэфф,	(q,r)	э, оС	Tэ, оС
R1	0,64	0,32	1810,70	742,39	0,41	2,24	57,49
R2	0,68	0,57	964,91	501,75	0,52	1,16	56,40
R3	0,89	1,71	244,44	190,67	0,78	0,99	56,23
R4	0,89	1,71	244,44	190,67	0,78	0,99	56,23
R5	0,68	0,57	964,91	501,75	0,52	0,40	55,64
R6	0,68	0,57	964,91	501,75	0,52	0,40	55,64
R7	0,68	0,57	964,91	501,75	0,52	0,40	55,64
R8	0,64	0,32	1810,70	742,39	0,41	2,24	57,49
R10	0,68	0,57	964,91	501,75	0,52	1,16	56,40
R11	1,29	0,25	1164,02	325,93	0,28	3,01	58,26

Определим максимальную температуру резистора с учетом наихудшей ситуации - 2 наиболее тепловыделяющих элемента расположены рядом друг с другом. Из таблицы 5.1 выбрали резисторы R8, R11.

Максимальная температура резистора при описанном выше условии определяется по следующей формуле:

, (5.9)

Подставив числовые значения в формулу 5.9, получим:

^оС<125 ^оС.

Найдем температурную погрешность, а затем полную относительную погрешность изготовления пленочного резистора и сравним ее с допустимым значением. Подставляем значения в формулу (4.3):

.

Подставляем значения в формулу (4.12):

Таким образом, даже при наихудшей ситуации, когда 2 наиболее тепловыделяющих резистора расположены рядом, резисторы находятся в работоспособном состоянии.

5.4.1.2 Тепловой расчет транзисторов

В соответствии с техническим заданием в разрабатываемой микросхеме имеются четыре транзистора К3157 и два транзистора КТ359В. Для них P_э=15 мВт; габаритные размеры - l=b=0,7 мм.

Нормальный тепловой режим элементов обеспечивается при выполнении условия [1]:

T_э=Т_сmax+_к+_э+_вн < Т_{max доп}, (5.10)

где _вн - внутренний перегрев области p-n перехода.

Т_{max доп} для транзисторов КТ539Б, КТ359В - 85°С

В соответствии с вышеприведенным расчетом резисторов получаем h=0,7 мм.

q=r=0,7/(20,7)=0,5.

Значение функции (q,r):

(q,r)=0,46

По выражениям (5.2), (5.4) вычисляем значения R_T и R_Tэфф:

R_Tэфф=1496,50,46=688,4 .

Подставив значения в формулу (5.8) получаем перегрев элементов за счет рассеиваемой мощности:

_э=688,41510^-3=10,3 ^оС.

Внутренний перегрев области p-n-перехода [1]:

_вн=R_TвнP_э, (5.11)

где R_Tвн - внутреннее тепловое сопротивление. R_Tвн=300 ^оС/Вт.

_вн=1510^-3300=4,5 ^оС.

Подставив значения в формулу получаем:

T_э=55+0,24+10,3+4,5=70,07 ^оС <85 ^оС.

Таким образом, в результате проведения теплового расчета самым теплонагруженным из рассматриваемых электрорадиоэлементов являются транзисторы К3157 и КТ359В, его рабочая температура в самых неблагоприятных условиях на 14,93 ^оС меньше предельно допустимой.

В рамках допущений ориентировочного расчета можно сделать вывод, что для данной ИМС температура внешней среды 55 ^оС не является предельно допустимой и она может быть увеличена на 14,93 ^оС.

5.5 Расчет паразитных связей

Емкость между двумя произвольно расположенными на подложке пленочными проводящими элементами [7]:

(5.12)

где - расчетная диэлектрическая проницаемость ( при и при );

- диэлектрические проницаемости соответственно окружающей среды и материала подложки;

- емкостный коэффициент, зависящий от взаимного расположения пленочных проводящих элементов в микросхеме;

- длина пленочных проводников.

Частичные емкости между проводниками, расположенными параллельно на подложке и находящимися в окружении других проводников [7]:

, (5.13)

Где - номера проводников;

- длина проводников;

- емкостный коэффициент проводников.

В разрабатываемой микросхеме максимальную емкость будут иметь два параллельно расположенных проводника.

Для данного случая расположения проводников емкостный коэффициент [7]:

, (5.14)

Где - ширина первого и второго проводников, образующих конденсатор; - расстояние между проводниками.

По топологическому чертежу определяем , , , . Диэлектрическая проницаемость воздуха , подложки - .

Подставляя численные значения в формулы (5.13) и (5.14), получается:

;

Паразитное емкостное сопротивление будет максимальным при наибольшей частоте(125 кГц). Оценим эту величину:

.(5.15)

.

Максимальное падение напряжения на конденсаторе не может превышать 9 В, при этом ток через конденсатор:

.

Таким образом, погрешность, вносимая паразитной емкостью пренебрежимо мала.

Паразитные индуктивные связи (для прямоугольного проводника):

(5.16)

Где - длина и ширина проводника соответственно, в сантиметрах.

Индуктивное сопротивление максимально на наивысшей частоте работы видеоусилителя (125 кГц):

(5.17)

Минимальное сопротивление ветви коллектор транзистора VT2 (в состоянии насыщения) будет определяться сопротивлением, включенным в цепь коллектора (10000 Ом). Погрешность, вносимая индуктивностью:

.

Эта погрешность пренебрежимо мала и ею можно пренебречь.

Разработанная топология удовлетворяет конструктивным требованиям, и имеющиеся емкостные и индуктивные связи настолько малы, что не нарушают стабильную работу схемы при заданных условиях эксплуатации.

5.6 Оценка надежности

Надежность ИМС связана с использованием особо чистых материалов, использованием групповых методов обработки, меньшее количество контактов.

Пути повышения надежности [2]:

совершенствование электрической принципиальной схемы;

применение более надежных компонентов;

жесткий контроль.

Минимальная наработка разрабатываемой ГИМС в указанных режимах и условиях должна быть не менее 15000 ч.

Надежность включает:

интенсивность отказов во время

вероятность безотказной работы Р(t)

, (5.18)

(5.19)

где л_Ri - интенсивность отказов резисторов 6•10^-9 час^-1;

л_{нав.ком.i} - интенсивность отказов навесных компонентов 30•10^-8 час^-1;

л_под. - интенсивность отказов подложки 25•10^-8 час^-1;

л_кор. - интенсивность отказов корпуса 5•10^-109 час^-1;

л_k - интенсивность отказов контактных площадок 10^-9 час^-1 [2];

== час^-1

6. Разработка и обоснование технологического маршрута изготовления ИМС

Совокупность технологических операций, составляющих технологический маршрут производства тонкопленочных гибридных микросхем, направлена на подготовку поверхности подложки, нанесении пленок на подложку и формирование конфигураций тонкопленочных элементов, монтажа и сборку навесных компонентов, защиту и герметизацию изделия от внешних воздействий.

Важную роль при изготовлении гибридных микросхем играют контрольно-проверочные мероприятия, осуществляемые в цехе и в отделе технического контроля. Очень большое значение имеют операции подготовки производства: изготовление комплектов масок и фотошаблонов, приобретение или изготовление, проверка и подготовка компонентов.

6.1 Подложки ГИС

Подложки - это диэлектрические основания, предназначенные для размещения на них плёночных элементов и навесных компонентов.

Требования к подложкам ГИС:

1. Высокий коэффициент теплопроводности.

2. Высокая механическая прочность.

3. Химическая инертность к осаждаемым материалам.

4. Стойкость к повышенным температурам.

5. Стойкость к воздействию химических реактивов.

6. Способность к обработке.

Для маломощных ГИС применяют безщелочные боросиликатные стёкла и ситаллы. Для мощных ГИС применяется керамика, а для особо мощных - бериливая керамика или брокерид.

В разрабатываемой микросхеме используется ситалловая подложка. Ситалл - это материал стеклокерамического характера, обладающий мелкокристаллической структурой, получаемой путём управляемой кристаллизации.

6.2 Очистка поверхности и контроль подложек

Молекулы и атомы, расположенные на поверхности подложек, имеют высокую химическую активность, так как часть их связей ненасыщенна. Поэтому получить идеально чистую поверхность практически невозможно и понятие «чистая поверхность» относительно. Технологически чистой считается поверхность, которая имеет концентрацию примесей, не препятствующую воспроизводимому получению заданных значений и стабильности параметров микросхем. Процессы очистки подложек предназначены для удаления загрязнений до уровня, соответствующего технологически чистой поверхности.

Ситалловые подложки очищаются в смеси перекиси водорода, аммиака и воды (40:1:125) с последующей промывкой в дистиллированной воде. Окончательная очистка производится в парах изопропилового спирта.

При контроле подложек проверяются на соответствие только геометрические параметры. Методы контроля [6]:

1. Метод измерения сопротивления входной среды (Rвых = Rвх).

2. Метод определения угла смачивания (чем выше степень очистки поверхности, тем лучше поверхность смачивается, тем меньше угол смачивания). Очистка является удовлетворительной при б<75є ).

3. Метод изучения пластины в тёмном поле микроскопа.

6.3 Формирование элементов тонкоплёночных ГИС

Методика получения элементов тонкоплёночных ГИС состоит в нанесении соответствующего материала на диэлектрическую подложку с использованием трафарета заданной конфигурации [1]:

1 Масочный метод - соответствующие материалы напыляют на подложку через съёмные маски.

2 Фотолитографический метод - плёнку наносят на всю поверхность подложки, а затем вытравливают с отдельных участков.

3 Комбинированный метод (масочный и фотолитографический). При совмещении масочного и фотолитографического методов для схем, не содержащих конденсаторов, применяют один из следующих вариантов:

1) напыление через маску резисторов; напыление проводящей пленки; фотолитография проводящего слоя; нанесение защитного слоя.

2) напыление резистивной пленки; фотолитография резистивного слоя; напыление через маску проводников и контактных площадок; нанесение защитного слоя.

3) напыление резистивного пленки; напыление через маску проводников и контактных площадок; фотолитография резистивного слоя; нанесение защитного слоя.

Для формирования конфигураций слоев будем использовать комбинированный метод, первый вариант.

В первом слое напыляется резистивный материал - кермет К-50С

Во втором слое напыляется подслой нихром Х20Н80 (ГОСТ 2238-58).

В третьем слое напыляется слой - алюминий А97 (ГОСТ 11069-64) и фотолитографией формируются проводники и контактные площадки.

В четвертом слое наносится...