Розробка топології Мультивібратора з струмозадаваючим елементом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пояснювальна записка до курсового проекту ВЕТ 5.05080201 25 ПЗ

Розробка топології Мультивібратора з струмозадаваючим елементом



Зміст

ВСТУП

1. Проектування топології мікросхеми

2. Вихідні дані для проектування

3. Проектування напівпровідникової мікросхеми

3.1 Вибір конструкції активних елементів

3.2 Розрахунок пасивних елементів

3.3 Розрахунок площі кристалу

4. Проектування гібридної мікросхеми

4.1 Розрахунок пасивних елементів

4.2 Вибір навісних компонентів

4.3 Розрахунок площі плати

5. Розрахунок паразитних зв'язків

ВИСНОВКИ

ЛІТЕРАТУРА



ВСТУП

Електроніка - наука про взаємодію електронів з електромагнітними полями і методи створення приладів і обладнання, у яких взаємодія використовується для перетворення електромагнітної енергії, передачі, обробки і зберігання інформації.

Мікроелектроніка - це галузь електроніки, яка охоплює проблеми дослідження, конструювання, виготовлення і застосування мікроелектронних виробів, електронних пристроїв з високим ступенем інтеграції. Найбільш перспективним напрямком мікроелектроніки стало виробництво напівпровідникових ІМС. Вони мають високу надійність і ступінь інтеграції, малі габарити та вагу, малу споживаєму потужність, можливість виконання активних і пасивних елементів в одному технологічному процесі, здатні функціонувати при малих рівнях струмів і напруг. Але вони мають такі недоліки: складна технологія, невелика радіаційна стійкість, наявність паразитних зв'язків, що потребує ізоляції мікросхем.

Головні напрямки розвитку електроніки:

1. Вакуумна - електронні лампи, електровакуумні прилади НВЧ, електронно- променеві трубки, фотоелектронні прилади, рентгенівські трубки, газорозрядні прилади.

2. Твердотільна -- напівпровідникові прилади, ІМС, МП, мікро-ОМ, оптоелектроніка.

3. Квантова електроніка - лазери, мазери, оптичний зв'язок, олографія.

4. Інтегральна мікроелектроніка на функціональних схемах.

Інтегральна мікросхема - мікроелектронний виріб, який має високу щільність упакування електрично-з'єднаних елементів і кристалів. Цей виріб з точки зору вимог до випробування, поставки й експлуатації розглядається як єдине ціле.

Основним матеріалом для виготовлення напівпровідникових ІМС є кремній. Його переваги: велика ширина забороненої зони, що обумовлює широкий інтервал робочих температур, велика пробивна напруга, поверхня досить стійка до забруднень, великий вміст цього матеріалу у земній корі.

Промисловістю випускається для виробництва інтегральних мікросхем і напівпровідникових приладів кремній, очищений методами Чохральского, безтигельною зоною і гарнісажною плавкою.

Для виробництва ІМС використовують епітаксіальні кремнієві структури. Кристалічна структура епітаксіального шару являє собою високо-ідеальний монокристал. Якщо шар і підкладка виготовлені із одного і того ж матеріалу, така структура називається епітаксіальною, якщо матеріал шару відрізняється від матеріалу підкладки - гетеро-епітаксіальний.



1. Проектування топології мікросхеми

Топологія інтегральної мікросхеми - це зафіксоване на матеріальному носії просторово-геометричне розташування сукупності елементів інтегральної мікросхеми та зв'язків між ними.

Інтегральна мікросхема - це мікроелектронний виріб кінцевої або проміжної форми, призначений для виконання функцій електронної схеми, елементи і зв'язку якого неподільно сформовані в об'ємі і (або) на поверхні матеріалу, на основі якого виготовлено виріб.

Вихідні данні для розробки топології ІМС.

1.Схема електрична принципова, вимоги до електричних параметрів, параметрів активних і пасивних елементів.

2.Конструктивно-технологічні вимоги та обмеження.

Етапи розробки топології.

1. Вибір конструкції то розрахунок активних та пасивних елементів ІМС.

2. Побудова комутаційної схеми розташування елементів на поверхні та в об'ємі підложки, а також складання малюнку розводки між ними.

3. Розробка попереднього варіанту топології.

4. Оцінка якості топології (розрахунок паразитних зв'язків).

5. Оптимізація топології (розробка кінцевого варіанту топології).

6. Випуск конструкторської документації: схема електрична принципова, комутаційна схема, топологічне креслення, пошарове креслення.



2. Вихідні дані для проектування

1) схема електрична принципова

2) параметри резисторів:

R₁= 1 кОм

R₂= 1 кОм

R₃= 1 кОм

R₄= 15 кОм

R₅= 15 кОм

3) параметри конденсаторів:

Для ІМС:

С₁= 2,4 пФ

С₂= 2,4 пФ

Для ГІС:

С₁= 1800 пФ

С₂= 1800 пФ

4) умови експлуатації:

Інтервал робочих температур: -60 ~ +120 °С

Відносна вологість повітря 98% при t=20 С

Атмосферний тиск 6.7*10^{2 -} 3*10⁵ Па



3. Проектування напівпровідникової мікросхеми

3.1 Вибір конструкції активних елементів

Транзистори - це напівпровідникові прилади, придатні для посилення потужності, що мають три виводи, або більше. У транзисторах може бути різне число переходів між областями з різною електропровідністю. Найбільш поширені транзистори з двома n-р - переходами, звані біполярними, оскільки їх робота основана на використанні носіїв заряду обох знаків. Перші транзистори були точковими, але вони працювали недостатньо стійко. В даний час виготовляються і застосовуються виключно площинні транзистори.

Рисунок 1. Будова площинного біполярного транзистора

Транзистор являє собою пластину германію, або кремнію, або іншого напівпровідника, в якій створено три області з різною електропровідністю. Для прикладу узятий транзистор типа n-р-n , що має середню область з дірковою, а дві крайні області - з електронною електропровідністю. Розповсюджені також транзистори типу р-n-р, у яких дірковою електропровідністю володіють дві крайні області, а середня має електронну електропровідність. проектування мікросхема напівпровідниковий резистор



Рисунок 2. Конструкція n-p-n транзистора

3.2 Розрахунок пасивних елементів

Резистори ІМС формують в будь-якому з дифузійних шарів транзисторної структури (емітерна, базова, колекторна області).

Рисунок 3. Конструкція резистора

При розрахунку інтегрального резистора задаємо ширину резистора Ь= 10-20 мкм - виходячи із технологічних можливостей.

Загальна довжина резистора:



L= b (R/с₀ - 2 K_фк)

Де L - довжина резистора

b - ширина резистора

R - опір резистора

с₀ - питомий поверхневий опір

K_фк - коефіцієнт форми контакта

Транзистор - напівпровідниковий прилад, здатний підсилювати, генерувати і перетворювати електричні коливання.

Горизонтальний р-n-р транзистор р-n-р транзистор виготовляють одночасно з n⁺-р-n, емітерний та колекторний шари отримують на етапі базової дифузії, базовою областю р-n-р формують на основі епітаксіального шару, з n⁺ підколекторною областю. Переніс носіїв заряду відбувається в горизонтальному напрямку, дірки інжектовані з бокових частин емітера в базу дифундують до колекторної області.

Рисунок 4. Розріз та топологія p-n-p транзистора



Розрахунок інтегральних резисторів

Дано:

R₁= R₂= R₃= 1 кОм

Розрахунок резисторів:

R = 1000 Ом (на емітерному шарі)

Вибираємо с₀ = 300 Ом/?

b = 20 мкм

K_фк = 0,07

L = 20(1000/300 - 2*0.07) = 20*3,335=66,7 мкм

L_k=10+5+20+66,7+20+5+10=136,7 мкм

В_k= 10+5+20+5+10=50 мкм

S_R = 136,7*50 = 6835 мкм²

Дано:

R₄= R₅= 15 кОм

Розрахунок резисторів:

R = 15000 Ом (на емітерному шарі)

Вибираємо с₀ = 5000 Ом/?

b = 20 мкм

K_фк = 0,65

L = 20(15000/5000 - 2*0,65) = 20*3 = 60 мкм

L_k=10+5+20+60+20+5+10 = 130 мкм

В_k= 10+5+20+5+10 = 50 мкм

S_R = 130*50 = 6500 мкм²

Розрахунок площі всіх резисторів:



? S_Ri=S_R1+S_R2+S_R3+S_R4+S_R5

? S_Ri= 3*6835 + 2*6500 = 33505 мкм²

Розрахунок інтегральних конденсаторів

У інтегральних напівпровідникових конденсаторах роль діелектрика можуть виконувати збіднені шари зворотньо зміщених p-n - переходів, або плівка оксиду кремнія, роль обкладинок - леговані напівпровідникові області або напилені металеві плівки. Характеристики конденсаторів напівпровідникових ІМС невисокі, крім того, для отримання порівняно великих ємностей необхідна значна площа схеми. Тому при проектуванні електронної схеми напівпровідникової ІМС прагнуть уникати вживання конденсаторів.

Розрахунок інтегральних конденсаторів

Дано:

С₁= С₂= 2,4 пФ

С₀= 600 пФ/мм²

Розрахунок конденсаторів:

S_b= C/C₀ = 2,4/600 = 0,004 мм²

L_b=B_b= = 0,063 мм = 63 мкм

L_c= 15+45+63+5+15 = 133 мкм

B_c= 15+5+63+5+15 = 103 мкм

S_c= 103*133 = 13699 мкм²

Розрахунок площі всіх конденсаторів:

? S_c= 2*13699 = 27398 мкм²



3.3 Розрахунок площі кристалу

Площа кристала розраховується по формулі:

S = k(?SA + ?SП + ?SКП + ?SДП) ,

Де k= 2+4

?SA - загальна площа всіх активних елементів.

?SП - загальна площа всіх пасивних елементів.

?SКП - загальна площа всіх контактних площадок.

?SДП - загальна площа всіх дифузійних перемичок.

Площа активних елементів:

?SA = ?SVT + ?SVD

?SVT = 46462,5 мкм²

?SVD = 0

?SA = 46462,5 мкм²

Площа пасивних елементів:

?SП = ?SR + ?SС

?SR = 3*6835 + 2*6500 = 33505 мкм²

?SС = 42586 мкм²

?SП = 33505 + 42586 = 76091 мкм²

Площа контактних площадок:

?Sкп = 15625*3 = 46875 мкм²

Площа кристала:

S = 3(46462,5 + 76091 + 46875 + 0) = 169428.5 мкм²



4. Проектування гібридної мікросхеми

Гібридними називаються ті мікросхеми, які складаються з елементів, компонентів і кристалів. Зараз гібридні інтегральні мікросхеми набули широкого застосування в електроніці і мікроелектроніці.

Особливістю конструювання ІМС є тісний зв'язок конструктивних рішень з технологією виготовлення елементів мікросхем. Для розробки ГІМС використовують метод плівкової технології, тобто радіоелементи одержують на підкладці у вигляді плівок напівпровідників, діелектриків, різних металів та їх оксидів, які послідовно наносять одна на одну. При розробці ГІМС враховується також геометрична форма плівкових елементів, чим простіша форма елемента, тим легше їх виробництво, більша точність виготовлення і надійність.

4.1 Розрахунок пасивних елементів

Плівковий резистор конструктивно складається із резистивної плівки та контактних ділянок, які мають певну конфігурацію.

Рисунок 5. Конструкція тонкоплівкового резистора

l - довжина резистора.

b - ширина резистора.

e - ширина перекриття для суміщення резистора.

Розрахунок тонкоплівкових резисторів

Дано:

R₁= R₂= R₃= 1 кОм ± 20%

P= 20мВт

t_max= + 120°C

?_p0= 5%

?_Rст= 2%

?_Rk= 1%

?l=?b= ±0,01 мм

Розрахунок резисторів:

Ніхром с₀= 300 Ом/? P₀= 2 Вт/см² бR= 1*10^-4 °C^-1

1) K_ф= R/ с₀ = 1000/300 = 3,33 ?

2) P₀= (2*1000)/100 = 20 мВт/мм²

3) b ? max

4) b_p= = = = 0,55 мм

5) ?_Rt= бR(t_max-20) = 1*10^-4*(120-20) = 1*10^-4*100 = 0,01 (1%)

6) ?_Кф.доп.= 20-5-1-2-1=11% (0,11)

7) ?b= (0,01+0,01/3,33)/0,11 = 0,12 мм

8) b_max = 0,55 мм

9) L= 0,55*3,33 = 1,8 мм

10) L_повн= 1,8 + 2*0,2= 2,2 мм

11) S_r= 2,2*0,55 = 1,21 мм²

12) Перевірка:

13) с₀= P/S = 20/1,21 = 16,53 мВт/мм²

14) 16,53 мВт/мм² < 20 мВт/мм²

Дано:

R₄= R₅= 15 кОм ± 20%

P= 20мВт

t_max= + 120°C

?_p0= 5%

?_Rст= 2%

?_Rk= 1%

?l=?b= ±0,01 мм

Розрахунок резисторів:

Кермет К-50С с₀= 3000 Ом/? P₀= 2 Вт/см² бR= 3*10^-4 °C^-1

1) K_ф= R/ с₀ = 15000/3000 = 5 ?

2) P₀= (2*1000)/100 = 20 мВт/мм²

3) b ? max

4) b_p= = = = 0,44 мм

5) ?_Rt= бR(t_max-20) = 3*10^-4*(120-20) = 3*10^-4*100 = 0,03 (3%)

6) ?_Кф.доп.= 20-5-1-2-1=9% (0,09)

7) ?b= (0,01+0,01/5)/0,09 = 0,012/0,09 = 0,133 мм

8) b_max = 0,44 мм

9) L= 0,44*5 = 2,2 мм

10) L_повн= 2,2 + 2*0,2= 2,6 мм

11) S_r= 2,6*0,55 = 1,144 мм²

Перевірка:

с₀= P/S = 20/1,144 = 17,5 мВт/мм²

17,5 мВт/мм² < 20 мВт/мм²

Таблиця 1. Параметри тонкоплівкових резисторів

№	Опір, Ом	Матеріал	с0 , Ом/?	Kф	Sr , мм2
R1	1000	Ніхром	300	3,33	1,21
R2	1000	Ніхром	300	3,33	1,21
R3	1000	Ніхром	300	3,33	1,21
R4	15000	Кермет К-50С	3000	5	1,144
R5	15000	Кермет К-50С	3000	5	1,144

Розрахунок площі всіх плівкових резисторів:

? S_Ri=S_R1+S_R2+S_R3+S_R4+S_R5

? S_Ri= 3*1,21 + 2*1,144 = 5,918 мкм²

Розрахунок тонкоплівкових конденсаторів

Тонкоплівковий конденсатор являє собою трьох шарову структуру, яку отримують осадженням плівок: метал - діелектрик - метал.

Розрахунок тонкоплівкових конденсаторів

Дано:

C₁=С₂=1800 пФ ± 20%

U_роб= 10 В

K₃= 2

t_max= +120°C

?_C0= 7%

?_Cст= 2%

?l=?b= ±0,01 мм

SiOE=5 E_пр= 2*10⁶ бС= 2*10^-4 °C^-1

1) d_min= K₃* U_роб/ E_пр = 2*10/2*10⁶ = 1*10^-5

2) C_0r= 0,0885*E/d = 0,0885*5/10^-5 = 44250 пФ/см

3) ?_Cст= бС*( t_max-20) = 2*10^-4*(120-20) = 0,02 (2%)

4) ?_Sдоп= ?_С - ?_С0 - ?_Сt - ?_Cст = 20-7-2-2 = 9% (0,09)

5) С_0точн= С*[?_Sдоп/Z*?l]² = 1800*[0,09/2*0,01]² = 36450 пФ/мм²

6) С_0r = С_0min = 36450 пФ/мм²

7) S_b= C/C₀ = 1800/36450 = 4,9 мм²

8) Lв=bв= = 2,2 мм

9) Lн=bн= 2,2+2*0,2 = 2,6 мм

10) Lд=bд= 2,6+2*0,1 = 2,8 мм

11) S= Lд*bд= 2,8*2,8 = 7,84 мм²

Перевірка:

d= 0,0885*E/C₀ = 0,0885*5/364,5 = 0,0012 = 1,2*10^-3 см

Е_роб= U_роб/d = 10/10^-3 = 1*10⁴ В/см

1*10⁴ В/см < 2*10⁶ В/см

4.2 Вибір навісних компонентів

В якості навісних компонентів використовують напівпровідникові прилади: транзистори , діоди.

Рисунок 6. Конструкція транзистора

Розрахунок площі одного транзистора: S_VT= 1*1= 1 мм²

Існує два типи монтажу - прямий і перевернутий.

Прямий монтаж - навісні компоненти тильною стороною кріпляться до підложки, а виводи приєднується до контактних площадок за допомогою пайки, зварки..

Недоліки: низька продуктивність процесу контактування, потребуються великі витрати ручної праці, процес не підлягає автоматизації, не забезпечується висока надійність з'єднань, не можуть значно поліпшились характеристики ІМС та збільшення надійності.

Перевернутий - прилади з жорстокими об'ємними виводами.

Конструкція виводів у вигляді значного потовщення контактів виступів. Їх форма: кулі та стовпчики, заздалегідь припаяні або нарощення на контактних площадках навісних компонентів або під ложок. Такого типу контакти дозволяють кріпити навісні за рахунок припаювання ( зварки) їх потовщень безпосередньо до контактних площадок підложки.

Прилад кріпиться не тильною, а лицевою стороною.

Застосовують клеї: К-300, БФ-4, епоксидні. Можливі інші клеї.

Розміри навісних компонентів можуть бути від 0,75х0,75 мм до 1х1 мм, і мають бути квадратної форми.

Перевага: припайка усіх виводів виконується одночасно. Образується більш короткі сигнальні доріжки. Збільшується швидкодія мікросхеми. Процес легко автоматизувати. Більш висока надійність порівняно з прямим монтажем.

Недоліки: Процес більш важкий ( потрібна складна апаратура…)

4.3 Розрахунок площі плати

Площа плати розраховується по формулі

S= k( + + ) ,

Де S - площа підкладки;

k= 2~4 -коефіцієнт використання підкладки;

n, m, k - кількість елементів;

S_H.K. -загальна площа всіх навісних елементів;

S_П - загальна площа всіх пасивних елементів;

S_К.П. - загальна площа всіх контактних площадок;

Площа навіних елементів



= ?_VT =1

?S_VT= S_VT * 3 = 1*3 = 3 мм²

Площа пасивних елементів

?S_П = УS_R + ?S_C

S_R =S_R1+S_R2+S_R3+S_R4+S_R5

S_R = 33505 мкм2

S_П = 7,4239 +15,68=23,1039

Площа контактних площадок

S_КПі = 8*0,5*0,75= 1,5мм²

Загальна площа плати

S=k(S_Ai + S_Пі + S_КПі ) = 3(1,126+23,1039+1,5)=25,7299мм²

l=b=vS=5,07246



5. Розрахунок паразитних зв'язків

Розрахунок паразитної ємності між двома паралельними провідниками проводиться по наступній формулі:

Сij=0,0885*((E1+E2)/2)*L*Fij

Е1 - діелектрична проникність матеріалу підложки (в нашому випадку

ЕSiO2 =4);

E2 - діелектрична проникність навколишнього середовища (в нашому випадку Еповітря =1);

L - довжина паралельних доріжок, в см;

Fij - ємнісний коефіцієнт;

Для двох паралельних провідників:

F_{1 2} = 1,56+0,41 Lg*( b1+b2)/а₁², де

b1, b2 - ширина провідників

а1 - відстань між провідниками

Паразитний зв'язок між двома довгими провідниками - це ємність, яка виникла між двома паралельними доріжками:

е1,2 =3,9; b1,2=0,8мм; а=0,8мм: l=0,034см

Fij = 1,56 + 0,41*lg(0,64/0,64)=1,56

Сij = 0,0885 *( 5/2)*0,0340*1,56=0,0117 пФ



ВИСНОВКИ

В цьому курсовому проекті було розроблено напівпровідникову та гібридну ІМС «Мультивібратора з струмозадаваючим елементом». Для повного уявлення процесу та принципу роботи елементів було представлено: для н/п мікросхеми схему електричну принципову, комутаційну, топологію та пошарові креслення для повнішого уявлення поетапності процесу виготовлення; для гібридної ІМС було виконано: топологія, пошарове креслення та складальне креслення для уявлення про розміщення плати в корпусі. Також для обох типів мікросхем були представлені розрізи та топології окремих елементів та компонентів схем. Приведені таблиці з основними фізичними параметрами та деякі відомості стосовно формування їх в схемах на основі заданої топології.

В ході виконання курсового проекту були оцінені переваги та недоліки кожного з видів ІМС та відповідних їм тех. процесам. Конструктивно- технологічні особливості н/п мікросхеми дають їй ряд переваг таких, як малі розміри елементів до десятків мікрон, як наслідок більшу кількість елементів на одиницю площі кристалу, а також високу щільність упакування елементів. Формування шляхом епітаксіального нарощування, та дифузій змінюючи провідність окремих областей цілого кристалу. В результаті всі елементи є одним цілим з кристалом, що позитивно впливає на тепловідвідність і мех. стійкість схеми. Недоліком виступає складність процесу виготовлення, який потребує високі вимоги “електронної гігієни", дороге та високоточне обладнання для виконання складних хім. процесів.

Переваги ГІС: менш технологічне виробництво, більші розміри елементів потребують менш високоточного обладнання. Використання навісних компонентів в комбінації з плівковими дозволяє виготовляти схеми розраховані на більшу потужність. Та недоліком є використання великої кількості різних матеріалів, що призводить до погіршення тепловідвідності. Застосування навісних компонентів, та напилення плівок на поверхню підкладки значно зменшує механічну стійкість мікросхеми.

Використання однієї електричної схеми для розробки топологій двох різних типів ІМС дозволило оцінити переваги та недоліки методів виробництва, що дало змогу краще зрозуміти вимоги та обмеження в процесі розробки топологій ІМС.



ЛІТЕРАТУРА

1. Малишева I.A. «Технология производства микроэлектронных у стройств» Москва, «Энергия» , 2010.

2. І. Е. Єфимов , Ю.І. Горбунов, І.Я. Козир «Микроэлектроника» Москва «Энергия», 2008.

3. О.Д. Парфенов «Технология микросхем», Москва «Высшая школа», 1986.

4. Николаев И.М. , Филинюк Н.А. «Интегральные микросхемы и основы их проектирования» Москва, «Радио и связь», 2009, 424 с.

5. Коледов Л.А. «Конструирование и технология микросхем» Москва, “Висшая школа”, 2008, 231 с.

Размещено на Allbest.ru

...