Проектирование гибридных интегральных схем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Филиал федерального государственного

бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский университет

Московский энергетический институт»

в городе Смоленске

Кафедра ЭиМТ

Курсовой проект по курсу

“Технология материалов и изделий электронной техники”

Проектирование гибридных интегральных схем

Студент группы ПЭ-09 Андрейкин Сергей Александрович

Преподаватель Ширяев Александр Олегович

Смоленск 2011



Содержание

Введение

Техническое задание

1. Расчёт тонкоплёночных резисторов

1.1 Определение оптимального сопротивления квадрата резистивной плёнки

1.2 Определение значений для каждого из слоёв

1.3 Определение допустимой погрешности коэффициента формы

1.4 Определение конструкции по значению коэффициента формы

1.5 Расчёт полосковых резисторов прямоугольной формы

1.6 Расчёт резисторов прямоугольной формы, у которого длина меньше ширины

1.7 Расчёт резисторов сложной формы типа меандр

2. Расчёт тонкоплёночных кондесаторов

2.1 Выбор материала

2.2 Определение минимальной толщины диэлектрического слоя

2.3 Определение удельной ёмкости конденсатора

2.4 Определение допустимой погрешности активной площади конденсаторов

2.5 Определение удельной ёмкости конденсаторов, исходя из обеспечения требуемой точности

2.6 Определение минимальной удельной ёмкости

2.7 Определение коэффициента, учитывающего краевой эффект

2.8 Определение площади верхней обкладки конденсаторов

2.9 Определение размеров верхней обкладки

2.10 Определение размеров нижней обкладки и диэлектрика

2.11 Определение площади, занимаемой конденсаторами

3. Результат расчёта всех тонкоплёночных элементов

4. Выбор навесных элементов

4.1 Выбор конденсаторов

4.2 Выбор транзистора

5. Выбор подложки и корпуса

6. Описание технологического процесса

Заключение

Список литературы



Введение

Активная элементарная база современной электроники представляет собой широкий спектр силовых полупроводниковых приборов (СПП), интеллектуальных модулей и интегральных схем. Такое многообразие объясняется растущими потребностями устройств промышленной электроники в надёжных твёрдотельных ключевых приборах с высокими динамическими характеристиками и коммутируемыми мощностями, которые достигаются в ходе постоянного совершенствования структур и технологий Постоянное совершенствование приборов и технологий требует изучения базовых структур СПП, их характеристик, параметров, а также методов исследования последних.

Основной целью данного курсового проектирования является приобретение практических навыков расчета и конструирования тонкопленочных гибридных интегральных схем (ГИС). В тонкопленочных интегральных схемах пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, индуктивности) и межэлементные соединения изготавливаются в виде пленок толщиной менее 1 мкм, нанесенных на диэлектрическую подложку. Т. о. ГИС представляют собой комбинацию пленочных элементов и навесных компонентов, к которым относятся бескорпусные дискретные приборы (диоды, транзисторы, кристаллы полупроводниковых интегральных схем), расположенных на общей подложке.

Разработка ГИС состоит из нескольких этапов: анализ технического задания; выбор технологии изготовления ГИС; расчет элементов и выбор компонентов ГИС с учетом технологических ограничений; разработка топологии; выбор подложки и корпуса ГИС; проверка качества разработано топологии; оформление конструкторской документации и расчетно-пояснительной записки для изготовления ГИС. Один из наиболее важных и трудоемких этапов разработки ГИС - это определение формы и расчет геометрических размеров резисторов, конденсаторов и индуктивностей, количество которых в зависимости от сложности схемы может быть значительным.



Техническое задание

Рис. 1 Предварительный усилитель

Позиционное обозначение	Номинал	Точность	Мощность, мВт	Дополнительные параметры
Резисторы
R1	10 кОм	±2%	менее 0,1
R2	180 кОм	±15%	1,5	Подстройка ±0,68%
R3	6,8 кОм	±15%	менее 0,1
R4	270 кОм	±2%	менее 0,1	Отношение R1 относ. R4 ±0,03%
R5	12 кОм	±15%	10
R6	1,8 кОм	±15%	1,5
R7	1,5 кОм	±2%	менее 0,1	Отношение R7 относ. R8 ±0,15%
R8	10 кОм	±2%	менее 0,1
R9	10 кОм	±15%	менее 0,1
R10	100 кОм			Внеш.
R11	10 кОм	±15%	менее 0,1
R12	4,7 кОм			Внеш.
R13	22 кОм			Внеш.
R14	1мОм	±15%	менее 0,1
R15	3,9 кОм	±15%	60
Конденсаторы
C1	5 нФ, 6В	±50%
C2	5 нФ, 10В	±50%
C3	5 нФ, 10В	±30%
С4	12 нФ, 3В	±20%
С5	18 нФ, 3В	±20%
С6	18 нФ, 3В	±20%
С7	150 нФ, 3В	±20%
С8	12 нФ, 3В	±20%
Транзисторы
VT1	7 мкА, 15 В		50
VT2	1 мА, 15 В		7
VT3	4 мА, 15 В		30

Спроектировать тонкоплёночную ГИС, представленную на рис.1, масочным методом. Данные для расчёта представлены в табл. 1.



1. Расчёт тонкоплёночных резисторов

1.1 Определение оптимального сопротивления квадрата резистивной плёнки

1.2 По табл. 1.1. методического пособия подбираем значения для этого слоя

Материал для напыления резистивной плёнки:	Параметр:
	удельное поверхностное сопротивление резистивной плёнки сs, Ом/?	допустимая удельная мощность рассеяния Po, Вт/см2	температурный коэффициент TKR при T=-60ч125 oC, 1/ oC; Е(-4)
Сплав PC 2310	10000-80000	5	12

Материала выбирался с учётом более высокого значения Po и меньшего TKR.

1.3 Определение допустимой погрешности коэффициента формы

Сs=8956 (Ом/[]) мы уменьшили удельное поверхностное сопротивление резистивного слоя путем увеличения времени его напыления

Тогда имеем:

Т.к. в схеме предусмотрены резисторы с известным соотношением, то формула для них имеет вид:

Вычислим для делителей:

=

1) Для резистора R1: 2) Для резистора R2:

= =

3) Для резистора R7: 4) Для резистора R8:

= =



1.4 определяем конструкцию по значению коэффициента формы

С целью снижения стоимости платы, резистор R14 представим как два резистора типа меандр R14 и R16.

Т.е. для R1, R5, R8, R9, R10 проектируем полосковый резистор прямоугольной формы;

для R3, R15, проектируем резистор прямоугольной формы, у которого длина меньше ширины; для R4,R14,R16 формируем резистор типа меандр.

1.5 Расчёт полосковых резисторов прямоугольной формы R1, R5, R8, R9, R11

ширина:

длина:

е - размер перекрытия резистора и контактных площадок.

площадь:

1.6 Расчёт резисторов прямоугольной формы, у которых длина меньше ширины R3, R6, R7, R15

длина:

ширина:

площадь:

1.7 Расчёт резисторов сложной формы типа меандр R6

Ширина резистивной полоски:

длина:

ширина:

площадь:

Расчёт резисторов сложной формы типа меандр R14:

(чтобы избежать повышение себестоимости схемы, за счет чип-элемента, представим R14 как два последовательно соединенных меандра и обзовём один из них R16)

(при построении использовал нечетное значение 9)

длина:

ширина:

площадь:

Расчёт построечного резистора R2:

Обеспечиваем запас по мощности на величину не менее чем точность резистора

Рp Р (1+ )=15·(1+0,08)=1,548 мВт

Определяем ширину резистивной пленки:

b= мм b_мин=0,1мм

Найдем расчетную длину резистора:

l _осн= мм . l =1,5 мм

где:

Найдем площадь, занимаемую резистором:

S=l_осн·b=0,1·1,5=0,15 мм²

Изображение резисторов всех типов

Рис. 3 Изображение резисторов различных типов.

а) - полосковый резистор прямоугольной формы (1 ? Кф ? 10);

б) - прямоугольной формы у которого длина меньше ширины (0,1 ? Кф ? 1);

в) - сложный резистор типа меандр (10 ? Кф ? 50);



2. Расчёт тонкоплёночных конденсаторов

2.1 Выбор материала

Материал	Параметры
для напыления диэлектрика	для напыления обкладок	удельное поверхностное сопротивление плёнки обкладок сs, Ом/?	удельная ёмкость Cо, пФ/мм2	рабочее напряжение Uраб, В	диэлектрическая проницаемость е при f=1кГц	тангенс угла диэлектрических потерь tgд при f=1кГц	электрическая прочность Епр, МВ/см	рабочая частота f, МГц, не более	Температурный коэффициент ёмкости TKC при Т=-60ч125 оС, 1/оС
Боросиликатное стекло (ЕТО.035.015ТУ)	алюминий А99 (ГОСТ 11069-64)	0,2	100	10	4	0,001-0,0015	3-4	300	0,35

2.2 Минимальная толщина диэлектрического слоя

Кз=2,5 - коэффициент запаса электрической прочности.

2.3 Удельная ёмкость конденсатора

2.4 Допустимая погрешность активной площади конденсаторов

2.5 Удельная ёмкость конденсаторов, исходя из обеспечения требуемой точности

ДL - точность изготовления линейных размеров плёночных элементов.

2.6 Минимальная удельная ёмкость:

2.7 Определение коэффициента, учитывающего краевой эффект

2.8 Площадь верхней обкладки конденсаторов

- конденсаторы С1,С2,С3 - проектируются навесными

- конденсатор С7 - проектируется навесным

2.9 Размеры верхней обкладки

резистор диэлектрический интегральный транзистор

2.10 Размеры нижней обкладки и диэлектрика

g - размер перекрытия верхней и нижней обкладки конденсатора,

f - размер перекрытия верхней и нижней обкладки диэлектрика.

2.11 Площадь, занимаемая конденсаторами

Тонкоплёночные конденсаторы с предложенными емкостями сильно велики, их площади ощутимо скажутся на размерах устройства, поэтому будем подбирать чип-конденсаторы.



3. Результат расчёта всех тонкопленочных элементов

Резисторы
Позиционное обозначение	Номинал	Точность	Мощность, мВт	ширина, b, мм	длина, l, мм	площадь, S, мм2
R1	10 кОм	±15% (подстройка 2%)	0,1	0,95	1,1	1,42
R2	180 кОм	±15%	1,5	0,1	1,5	0,15
R3	6,8 кОм	±15%	0,1	0,75	0,55	0,41
R4	270 кОм	±15%(подстройка 2%)	0,1	0,9	2,1	1,89
R5	12 кОм	±15%	10	0,55	1,15	0,63
R6	1,8 кОм	±15%	1,5	1,9	0,4	0,76
R7	1,5 кОм	±15%(подстройка 2%)	0,1	6,9	1,2	8,28
R8	10 кОм	±15%(подстройка 2%)	0,1	0,95	1,1	1,42
R9	10 кОм	±15%	0,1	0,6	1,05	0,63
R11	10 кОм	±15%	0,1	0,6	1,05	0,63
R14	500 кОм	±15%	0,1	1,5	3	4,5
R15	3,9 кОм	±15%	60	1,7	0,75	1,27
R16	500 кОм	±15%	0,1	1,5	3	4,5



4. Выбор навесных компонентов

4.1 Выбор конденсаторов

Конденсаторы также C1, C2, C3 имеют одинаковые параметры и ёмкость равную 5 мкФ, поэтому для них выберем чип-конденсаторы типа K53-65, которые выпускает ОАО Элеконд. Конденсатор С7 имеет номинальную ёмкость равную 150 нФ. В нашем случае его конструкцию выгоднее представить также чип-элементом, для него подобран чип конднсатор типа К53-68. Конденсаторы C4, C5, C6, С8 для них чип элементом будет являтся K10-9. Параметры всех чип-кондесаторов приведены в таблице ниже.

Поз. обозн.	Тип изделия	P, Вт	Umax, В	Размеры, мм	Диапазон ёмкостей	Точность
				Размер корпуса	l	b	h	e
C1,C2, C3	К53-65	0,25	10	0603	3,2	1,6	1,6	0,4	33 мкФ	50%
С7	К53-68	0,25	10	0603	3,2	1,6	1,6	0,4	33мкФ	20%
С4,C5,C6,C8	К10-9	0,25	16	0603	3,2	1,6	1,6	0,4	22пФ - 0,47 мкФ	20%

4.2 Выбор транзистора

Для транзистора КТ342А выберем его аналог КТ369А-1, его параметры приведены в таблице ниже.

Тип изделия	Структура	max напряжение, В	max ток, mA	Pкmax, мВт	Размеры, мм
					l	b	h
КТ369А-1	n-p-n	45	250	50	2	2	1



5. Выбор подложки и корпуса

5.1 Общая площадь, занимаемая плёночными элементами

SR_i - площадь i-го резистора; SC_i - площадь i-го конденсатора; SА_i - площадь i-го навесного компонента; Sk_i - площадь i-й контактной площадки. k - коэффициент запаса по площади (k=2ч3). Тогда:

В нашем случае подходит типоразмер №6:

№ типоразмера	Ширина, мм	Длина, мм	Площадь, мм2	Толщина, мм	Материал подложки
7	16	20	320	0,35-0,6	Ситалл СТ-51

Такой материал используется для маломощных ГИС. Он выдерживает резкие перепады температур, обладает высоким электрическим сопротивлением, газонепроницаем, механически прочен.

Химический состав СТ50-1:

SiO₂ (25%) Al₂O₃ (20%) BaO (24%) B₂O₃ (30%) FeO/MnO (1%)

Электрофизические параметры СТ50-1:

Класс чистоты обработки поверхности: 13-14;

ТКЛР при T=20-300 ⁰C: (50-2)10^-7;

Коэффициент теплопроводности: 1,5 (Вт/м·єС);

Диэлектрическая проницаемость при f = 1МГц и Т=20 єС: 5 - 8,5;

Тангенс угла диэлектрических потерь при f=1МГц и Т=20 єС: 0,002;

Для защиты элементов тонкопленочных ГИС используем полиамидный электроизоляционный лак.

Корпус выбираем исходя из площади подложки:

Условное обозначение корпуса	Размеры монтажной площадки, мм	Мощность рассеяния при температуре 20 оС, Вт	Метод герметизации корпуса	n	Dmax, мм	e1nom, мм	Emax, мм	A2max, мм
1207(157.29-1)	34Х20	4,6	ЛС	14	19,5	25,0	29,5	7,5

Где ЛС - лазерная сварка (прим.).



6. Описание технологического процесса

Масочный метод с точки зрения процесса разработки - самый простой. Он заключается в нанесении каждого слоя тонкопленочной структуры через специальный трафарет (съемную маску), с определенной точностью повторяющий геометрию проводящих, резистивных или диэлектрических элементов микросхемы.

При масочном методе рекомендуется такая последовательность формирования слоев для изготовления ГИС, содержащих резисторы проводники, пересечения пленочных проводников, конденсаторы. Напыление: 1) резисторов; 2) проводников и контактных площадок; 3) проводников; 4) нижних обкладок конденсаторов; 5) диэлектрика; 6) верхних обкладок конденсаторов, 7) защитного слоя. Для изготовления свободных масок следует использовать механический способ (сочетание механической обработки с химическим травлением). Фольгу толщиной 0,0065-0,0013мм покрыть слоем воска и соединить одной поверхностью со стеклянной пластиной, а на другой стороне прочертить рисунок маски, который производить резцом из карбида кремния, заточенным до радиуса кривизны 0,0013мм, затем в прочерченных местах фольгу необходимо травить погружением в подходящий травитель. Для напыления пленок в данном случае рекомендуется использовать метод ионно-плазменного напыления, основанный на внедрении частиц в подложку мишени, обеспечивая высокую адгезию пленки к подложке.

Клеи для масочного метода готовить непосредственно перед употреблением: смесь перетирать до образования густой однородной массы, которая в результате не содержит комков и крупинок. В полученную смесь вводить отвердитель и тщательно перемешать полученную композицию, постепенно добавляя в нее соответствующий растворитель для получения нужной вязкости. Каждую приготовленную партию контролировать отдельно: по внешнему виду и вязкости.

Для крепления навесных компонентов (и подложки) рекомендуется использовать клей ВК32-200. Отверждение клея происходит при 175⁰С 1ч., под давлением 0,6-2,0 МПа (следует соблюдать данные пераметры). Данный метод прост и легко поддается автоматизации. После данной операции произвести однократную подгонку по заданной точности для резистора R2 методом лазерной подгонки.

Для образования электрических соединений использовать сварку давления с косвенным импульсным нагревом: т. е. пластическое соединение материалов в результате воздействия двух факторов: давления и температуры (причём значительно ниже температуры плавления свариваемых материалов). Нагрев инструмента (пуансона), изготовленного из жаропрочной стали, проходящим по нему током, и деформация (деформация проволоки около 60%) в зоне соединения с целью вытеснения адсорбированных газов, тончайших жировых и оксидных пленок, позволяют материалам сблизится на расстояние межатомного взаимодействия и приводят к образованию центров «схватывания» и получению соединения. Бескорпусную герметизацию осуществить погружением подложки, установленной на монтажную площадку, в лак (ФП-525, УР-231), с целью создания герметизирующего и выполняющего функции механического крепления элементов конструкции покрытия. Затем осуществить герметизацию металлостеклянного корпуса методом конденсаторной сварки (основана на разряде энергии, накопленной в батарее большой ёмкости, через кончик основания привариваемого крепежа; время разряда 1-3 мкс). Пленку из напыляемого материала осаждать на подложке в местах, соответствующих рисунку окон в маске. В качестве материала съемной маски использовать ленту кермета СТ51 толщиной 0,1 ... ...0,2 мм, покрытую слоем нихрома Х20Н80, толщиной около 10 мкм. Съемные маски изготавливать в отдельном технологическом процессе при подготовке производства данной ГИС и использовать многократно.

Для обеспечения необходимой жёсткости съёмных масок, их края затеняют прилегающими к ним участками подложки. В результате, за счет неплотного прилегания маски и подложки возникнет зазор между маской и подложкой, приводящий к подпылу. Нанесение пленок через съемные маски осуществлять ионно-плазменным распылением.



Заключение

В данной курсовой работе была проведена разработка ГИС Схема усилителя ЗЧ с блоком частотной коррекции при помощи масочного метода. Было проведено конструктивно-технологическое исследование и разработка технологических процессов с целью нахождения оптимальных материалов, технологических методов и режимов обработки. В ходе разработки были созданы следующие эскизы изготовления масок:

1) маски для нанесения первого и второго резистивного слоя;

2) маска для нанесения слоя диэлектрика;

3) маски вертикальных и горизонтальных проводящих слоёв;

4) маска для нанесения защитного слоя.

На основе анализа данной схемы можно судить о том, что главным достоинством данной ГИС являются делители, не критичные к температуре. Другой положительной особенностью можно назвать небольшое количество чип-элементов и отсутствие дросселей и диодов. Одна из трудностей это наличие сложного резистора типа меандр. На плате также отсутствуют сложные резисторы типа меандр и конденсаторы с дискретной подгонкой ёмкости. Два мостовых соединения резисторов позволяют с указанной точностью сделать резисторы с однократной подгонкой по точности соединения методом лазерной подгонки. Учитывая положительное значение коэффициента формы, в данном расчёте было нецелесообразно проводить такой расчёт. Однако в работе представлен их расчёт как резисторов полоскового типа. Подложка платы имеет стандартные размеры, поэтому её достаточно просто создать. Корпус выбран на основе подложки платы, и его конструктивные размеры имеют стандартные величины.

На основе проделанной работы можно сделать вывод о том, что практически любой класс функциональных электронных схем может быть реализован гибридно-пленочной технологией, который применяется и по сей день.

Список литературы

1. Методические указания к курсовому проекту “Технология материалов и изделий электронной техники”. Смердов В.Ю., Фролков О.А. - Смоленск: Смоленский филиал Моск. Энерг. института, 1997, - 51с.

2. Конструирование и технология микросхем. Курсовое проектирование: Учеб. пособие для вузов по спец. “Конструирование и производство радиоаппаратуры” и “Конструирование и производство электронно-вычислительной аппаратуры”. Коледов Л. А., Волков В. A., Докучаев Н. И. и др.; Под ред. Л.А. Коледова. - М.: Высш. шк., 1984. 231с., ил

3. Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Под общей редакции Н.Н. Горюнова. Издание Второе. Переработанное 1985 г.

4. Шелохвостов В. П., Чернышов В. Н. Проектирование интегральных микросхем. ТГТУ. Издание второе, 2008.

5. http://www.elecond.ru - каталог электронных элементов компании Элеконд.

Размещено на Allbest.ru

...