Конструирование и расчет микросхем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины

Технологический институт

Восточноукраинского национального университета им. В. Даля

Факультет: КИ

Кафедра: ЭА

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине: «Микросистемная техника и технологии»

Тема: «Конструирование и расчет микросхем»

Выполнил

Свербиненко В.С.

Руководитель:

Тюндер И.С.

Северодонецк 2015 г



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

1.1 Анализ схемы электрической принципиальной

1.2 Анализ требований к материалам разрабатываемой ГИС

1.3 Анализ требований к навесным элементам

1.4 Анализ требований к корпусу

2. РАСЧЕТ ПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

2.1 Расчет пленочных резисторов

3. ГЕРМЕТИЗАЦИЯ МИКРОСХЕМЫ

4. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ ГИС

5. РАЗРАБОТКА ТОПОЛОГИИ И КОНСТРУКЦИИ ГИС

6. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ГИС

ВЫВОД

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ



ВВЕДЕНИЕ

Интегральная микросхема (ИМС) -- 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 ИМС. В полупроводниковых ИМС все ЭРЭ и часть межсоединений сформированы в приповерхностном слое полупроводниковой (обычно кремниевой) подложки. В пленочных ИМС пассивные ЭРЭ изготовлены в виде совокупности тонких (менее 1 мкм) или толстых (10--50 мкм) пленок, нанесенных на диэлектрическую подложку. Гибридные ИМС (ГИС) представляют собой комбинацию пленочных пассивных ЭРЭ с миниатюрными бескорпусными дискретными активными приборами (полупроводниковыми ИМС, транзисторами, диодами), расположенных на общей диэлектрической подложке. ЭРЭ, которые являются неотъемлемой составной частью ИМС и не могут быть выделены из нее как самостоятельное изделие, называют элементами ИМС, а дискретные активные ЭРЭ ГИС--навесными компонентами (или просто компонентами), подчеркивая тем самым, что их изготовляют отдельно в виде самостоятельных приборов, которые .могут быть приобретены изготовителем ГИС как покупные изделия. В отличие от дискретных компонентов элементы ИМС называют интегральными (интегральный резистор, интегральный диод).

В совмещенных ИМС активные ЭРЭ выполнены в приповерхностном слое полупроводникового кристалла (как у полупроводниковой ИМС), а пассивные нанесены в виде пленок на покрытую диэлектриком поверхность того же кристалла (как у пленочной ИМС).



1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

Целью курсового проекта является разработка гибридной интегральной схемы (ГИС) по тонкопленочной технологии, исходя из заданной схемы электрической принципиальной и электрических параметров элементов.

1.1 Анализ схемы электрической принципиальной

Заданная для разработки ГИС Э3 представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема электрическая принципиальная

Параметры элементов заданной Э3:

R1, R2 = 7.5 КОм ±5%, P=30 мВт;

R3 = 1.8 КОм ±10%, P=20 мВт;

C1 = 1600 пФ ±20%, Uр = 25 В;

Tр = 100є C.

Данная схема состоит из трёх резисторов (R1, R2, R3), трёх транзисторов (VT1, VT2, VT3) и конденсатора (С1). Схема имеет 6 выводов. Резисторы и конденсатор выполняются по тонкопленочной технологии, транзисторы используют готовые, как навесные элементы.

1.2 Анализ требований к материалам разрабатываемой ГИС

Материал подложки:

Подложки служат диэлектрическим и механическим основанием для пленочных и навесных элементов и теплоотводом. Для обеспечения заданных электрических параметров микросхем материал подложки должен обладать:

- высоким коэффициентом теплопроводности для эффективной передачи тепла от тепловыделяющих элементов (резисторов, диодов, транзисторов) к корпусу;

- высокой механической прочностью, обеспечивающей целостность подложки с нанесенными элементами как в процессе изготовления микросхемы (разделение на платы, термокомпрессия, пайка, установка платы в корпус и т. д.), так и при ее эксплуатации в условиях термоциклирования, термоударов и механических воздействий;

- высокой химической инертностью к осаждаемым материалам для снижения временной нестабильности параметров пленочных элементов, обусловленной физико-химическими процессами на границе раздела пленка - подложка и проникновением ионов из подложки в пленку;

- стойкостью к воздействию высокой температуры в процессах формирования элементов и установки навесных компонентов;

- стойкостью к воздействию химических реактивов в процессе подготовки поверхности подложки перед нанесением пленок, при электрохимических обработках и химическом осаждении пленок;

- способностью к хорошей механической обработке (полировке, резке).

Материалы подложки и нанесенных на нее пленок должны иметь незначительно различающиеся ТКЛР для обеспечения достаточно малых механических напряжений в пленках, вызывающих их отслаивание и растрескивание при охлаждении подложки после нанесения пленочных элементов.

В качестве подложки разрабатываемой ГИС необходимо использовать стекло, либо поликор. Это наиболее дешевые материалы, кроме того, они имеют наименьший коэффициент линейного расширения, что может определять стабильность параметров ГИС. Стекла допускают обработку поверхности до высокого класса чистоты, обладают высокой механической прочностью и удовлетворительной теплопроводностью. Эти материалы используются в основном в маломощных ГИС, так как имеют малую теплопроводность.

Точность изготовления пассивной части микросхемы в значительной мере зависит от плоскостности и шероховатости платы. Максимальная кривизна поверхности (макронеровности) не должна превышать 4 мкм на 1 мм. Шероховатость (микронеровности) рабочей поверхности платы должна быть не ниже 8-го класса (высота неровностей 0,32-0,63 мкм).

Подложки ГИС являются диэлектрическим и механическим основанием для расположения пленочных и навесных элементов и служат для теплоотвода. Так как в данной схеме теплопроводящие свойства подложки не ставятся на первый план, то в качестве подложки для разрабатываемой микросхемы выбираем Стекло.

Материалы тонкопленочных элементов:

Основными элементами тонкопленочных микросхем являются резисторы и конденсаторы. Тонкопленочные индуктивности применяются значительно реже из-за сложности их изготовления.

Материалы тонкопленочных резисторов. К ним, в первую очередь, предъявляются определенные требования по поверхностному сопротивлению. Наибольшее распространение имеют резисторы с сопротивлениями от 10 Ом до 10 МОм. Линейные размеры резисторов приходится ограничивать: максимальную длину из-за ограниченности размеров подложек, а минимальные длину и ширину - из соображений допустимого разброса.

Помимо требований к удельному сопротивлению, предъявляются определенные требования и к его стабильности. Кроме того, резистивные пленки должны характеризоваться низким температурным коэффициентом сопротивления ТКС (менее 10-4 1/°С).

Материалы, используемые для тонкопленочных резисторов, можно разделить на три группы: металлы; металлические сплавы; металлодиэлектрические смеси - керметы.

Удельное сопротивление массивных металлов не превышает 20-50 мкОмЧсм даже для таких материалов, как титан, молибден, хром, тантал. Однако при осаждении в виде тонких пленок удельное сопротивление металлов может значительно увеличиваться. Наиболее существенный вклад в повышение удельного сопротивления вносится дефектами структуры и примесями. Учитывая это, в процессе осаждения некоторых металлических пленок намеренно создаются условия для газопоглощения. Наиболее широкое распространение для изготовления металлических резисторов имеют хром и тантал. Тонкие пленки полупроводниковых материалов не используются для изготовления резисторов в силу большого отрицательного температурного коэффициента сопротивления. Помимо металлов, для изготовления резисторов широко используются металлические сплавы, обладающие более высоким удельным сопротивлением даже в объемных образцах. К таким сплавам, в первую очередь, относятся сплав никеля и хрома. Так же как и металлы, эти сплавы, полученные в виде тонких пленок, имеют более высокие удельные сопротивления, чем массивные образцы. Керметы представляют собой металлодиэлектрические смеси. Созданию таких материалов и их широкому использованию для получения резисторов способствовали положительные результаты, полученные при окислении, азотировании и других методах введения примесей в металлические пленки при их отжигах. Намеренное изготовление смесей металлов и диэлектриков позволило получить наиболее высокие значения удельных сопротивлений. Удельное сопротивление пленок керметов в большой степени зависит от их состава. Поэтому точное воспроизведение состава кермета в пленке играет исключительно важную роль. Обычно для напыления применяют метод взрывного испарения.

Материалы для тонкопленочных конденсаторов. Тонкопленочный конденсатор имеет трехслойную структуру металл - диэлектрик - металл, расположенную на изолирующей подложке. Параметры тонкопленочного конденсатора определяются в основном диэлектрическим материалом. Однако следует иметь в виду, то на свойства диэлектрика могут оказывать существенное влияние металлические обкладки. К основным характеристикам диэлектрических материалов для конденсаторов относятся диэлектрическая постоянная е и электрическая прочность Ed. Из-за сложности получения бездефектных пленок на большой площади максимальная площадь конденсатора ограничивается. Минимальная площадь ограничивается заданной точностью. Отсюда для обеспечения широкого диапазона номиналов емкостей предъявляют определенные требования к удельным емкостям. Поскольку существует предел и для минимальной толщины пленок (из-за влияния проколов в пленке диэлектрика на ее электрическую прочность), то при изготовлении тонкопленочных конденсаторов к диэлектрическим материалам предъявляются определенные требования по диэлектрической проницаемости. Электрическая прочность диэлектрического материала определяет напряжение пробоя Ud = EdЧh, а следовательно, и диапазон рабочих напряжений конденсатора. Диэлектрические материалы должны обладать минимальной гигроскопичностью, высокой механической прочностью при циклических изменениях температуры, хорошей адгезией к подложкам. Диэлектрические материалы, используемые для тонкопленочных конденсаторов в основном представляют собой окислы полупроводников и металлов.



1.3 Анализ требований к навесным элементам

Использование навесных элементов в ГИС чаще определяется соображениями экономии места на плате или связано с трудностями обеспечения требуемых точностных характеристик пленочных элементов. В гибридных пленочных микросхемах широко применяют в качестве навесных элементов миниатюрные полупроводниковые приборы: транзисторы, диоды, и т.д. В данном случае в качестве навесных элементов ГИС применяю бескорпусные транзисторы. Важнейшими требованиями, предъявляемыми к этим компонентам ГИС, являются малые габариты и вес. Недостатком приборов с гибкими выводами является трудность автоматизации процессов их сборки и монтажа в корпусе ГИС. Применение приборов с шариковыми выводами затрудняет контроль процесса сборки. Приборы с балочными выводами дороги, но позволяют автоматизировать сборку, увеличивать плотность монтажа. В разрабатываемой схеме транзисторы необходимо использовать КТ307Б или КТ332 т.к. только они удовлетворяют температурным требования. Выберем транзистор КТ307Б т.к. он имеет более стабильное значение коэффициента усиления.

1.4 Анализ требований к корпусу

Корпуса служат для защиты микросхем от механических, климатических и других воздействий. Важнейшие требования, которым должна отвечать конструкция корпуса, сводятся к следующему:

- защита микросхем от влияния окружающей среды и механических воздействий;

- поддержание чистоты и стабильности атмосферы, окружающей микросхему;

- обеспечение удобства и надежности монтажа;

- отвод тепла от микросхемы, размещенной внутри корпуса;

- обеспечение надежного крепления корпуса при монтаже в аппаратуре.

Кроме того, конструкция корпуса должна иметь высокую надежность, обладать коррозионной и радиационной стойкостью, а также быть простой и экономичной в изготовлении.



2. РАСЧЕТ ПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

2.1 Расчет пленочных резисторов

Определим оптимальное с точки зрения минимума площади под резисторами ГИС удельное поверхностное сопротивление резистивной плёнки

,

где n - количество номиналов резисторов.

.

Выберем материал резистивной плёнки с удельным поверхностным сопротивлением , ближайшим по значению к вычисленному .

=5000 Ом/? => выбираем сплав К-50 с ЕТО.021.013 ТУ, материал контактных площадок золото с подслоем хрома.

ТКС при Т= -60-125, = 1/. Допустимая удельная мощность рассеяния W0=2 Вт/см2.

Определим допустимую погрешность коэффициента формы

,

где - погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления;

- погрешность, обусловленная старением плёнки;

- погрешность переходных сопротивлений контактов, можно пренебречь, т.к. материал контактных площадок выбран в соответствии с [1, таблица 4.3];

- температурная погрешность

,

,

,

,

Определим расчетное число квадратов резистора

,

,

,

Вычислим размеры резисторов с коэффициентом формы >1.

Вычислим ширину резистора в соответствии с заданным значением мощности рассеяния

,

.

Вычислим ширину резистора в соответствии с требованиями к точности резистора

,

где - абсолютная величина погрешностей ширины и длины резистора при использовании комбинированного метода масочного и фотолитографического [1, таблица 4.4]

.

Вычислим расчетное значение ширины из условия

,

где - минимальная ширина резистора, определяемая технологическими возможностями производства [1, таблица 4.4]

,

для шага координатной сетки (ШКС) 0,05 мм (масштаб 1:20) полученное значение ширины резистора в округление не нуждается .

Вычислим расчетное значение длины резистора, и округлим его значение до ближайшего целого значения кратного ШКС

,

где выбирается из [1, табл 3.15],

,



.

Вычислим размеры резисторов с коэффициентом формы <1.

Вычислим длину резистора в соответствии с заданным значением мощности рассеяния

,

.

Вычислим длину резистора в соответствии с требованиями к точности резистора

,

где - абсолютная величина погрешностей ширины и длины резистора при использовании комбинированного метода масочного и фотолитографического [1, таблица 4.4]

.

Вычислим расчетное значение длины из условия:

,

где - минимальная ширина резистора, определяемая технологическими возможностями производства [1, таблица 4.4]

,

.

Вычислим расчетное значение ширины резистора, и округлим его значение до ближайшего целого значения кратного ШКС

,

где выбирается из [1, таблица 4.4],

,

.

Определим фактическое число квадратов резистора:

,

,

.

Определим фактическую абсолютную погрешность округления геометрических размеров резисторов:

,

,

.

Определим ширину контактной площадки:

,

где - абсолютная погрешность масок;

- погрешность смещения при напылении резистивной пленки и контактной площадки ().

;



.

По [1, таблица 4.4] выбираем величину перекрытия резистивной пленки с контактной площадкой: е = 0,2 мм.

Эскизы полученных резисторов представлены на рисунках 2-3.

Рисунок 2 - Эскиз резисторов R1 и R2

Рисунок 3 - Эскиз резистора R3

2. Расчет пленочных конденсаторов

На основе анализа ТЗ выбираем материал диэлектрика:

Моноокись кремния, который имеет следующие параметры:

- диэлектрическая проницаемость на частоте Гц = 5,0-…6,0

- удельная емкость С0 = 10 103 Пф/см2

- tg на частоте 1 до 10 Гц - 0,02

- рабочее напряжение 30 В

- ТКЕ с = 2 10-4 1/C

- электрическая прочность Епр = (0,2…3) 106 В/см

Определяем минимальную толщину диэлектрика

,

Где - коэффициент запаса;

(см),

толщина диэлектрика равная 0,37 мкм вполне приемлема для тонкопленочной технологии.

Определим суммарную относительную погрешность

,

где - относительная погрешность воспроизведения удельной емкости;

- относительная температурная погрешность

;

;

- относительная погрешность, вызванная старением материала;

.

Вычислим максимальное значение удельной емкости исходя из заданной электрической прочности



;

;

Максимальное значение удельной емкости исходя из заданной точности

,

где - относительная погрешность длины конденсатора,

- коэффициент формы,

.

Выберем значение удельной емкости исходя из условия:

;

;

.

Вычислим активную площадь пленочного конденсатора (площадь верхней обкладки):

,

где K= 1, т.к. , ,

.



Вычислим размеры верхней обкладки:

т.к. , то

,

.

Округлим значения L и B до ближайших целых значений, кратных ШКС:

.

Вычислим размеры нижней обкладки:

,

где g = 0,2 - расстояние между краями верхней и нижней обкладок конденсатора.

.

Вычислим размеры диэлектрика

,

где f = 0,1 мм - расстояние между краями диэлектрика и нижней обкладки конденсатора.



.

Определим фактическую погрешность активной площади конденсатора

,

,

Определим площадь, которую занимает конденсатор на подложке:

;

.

Эскиз рассчитанного конденсатора представлен на рис. 4.

Рис. 4 Эскиз конденсатора C1



3. ГЕРМЕТИЗАЦИЯ МИКРОСХЕМЫ

Герметизация микросхем преследует цель защиты микросхем от внешних воздействий и придания ей законченного конструктивного оформления. Микросхема помещается в герметический корпус или заливается компаундом (бескорпусная герметизация).

В зависимости от материалов, используемых для изготовления корпусов, различают стеклянные (СТ), металлостеклянные (МС), металлокерамические (МК), металлополимерные (МП), пластмассовые (ПЛ) и керамические (К) корпуса. Основные размеры корпусов определяются габаритами стандартных подложек микросхем, однако оптимальные размеры корпусов выбирают исходя из обеспечения заданного теплового режима микросхем. резистор гибридный интегральный микросхема

Стеклянные, металлостеклянные, керамические и металлокерамические корпуса обеспечивают вакуумно-плотную герметизацию в условиях длительного воздействия механических нагрузок, тропической влажности и изменения температуры окружающей среды от -60 до + 125 0С. Количественной оценкой качества является скорость натекания, которая в вакуумно - плотных корпусах составляет 10-7-10-8 см3/с. При менее жестких условиях эксплуатации при изменении температуры окружающей среды от -60 до +70 0С и допустимой скорости натекания 10-4-10-5см3/с целесообразно использовать более простые по конструкции и технологии металлополимерные корпуса. Герметизацию микросхем, предназначенных для работы в обычных условиях (бытовая радиоэлектронная аппаратура, цифровые вычислительные и управляющие устройства промышленной электроники), можно производить с помощью пластмассовых корпусов но необходимо учитывать, что герметичность таких корпусов достаточно низкая. Для герметизации разрабатываемой ГИС будем использовать металлостекянный корпус.



4. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ ГИС

Надежность -- это свойство ИС выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, хранения и транспортирования.

Работоспособное состояние ИС нарушается вследствие появления внезапных или постепенных отказов. Внезапные отказы возникают в результате резкого, скачкообразного изменения определяющих параметров ИС. Они обусловлены проявлением скрытых дефектов в материалах и элементах конструкции микросхемы. Постепенные отказы являются следствием деградации физических свойств материалов под влиянием , эксплуатационных факторов и естественного старения. В результате дрейфа рабочие параметры ИС выходят за пределы установленных допусков. Различная природа внезапных и постепенных отказов находит свое отражение в методах их математического описания.

При оценке вероятности возникновения внезапных отказов используются модели в виде последовательного соединения совокупности элементов, определяющих работоспособное состояние микросхемы. В гибридных ИС можно достаточно четко выделить такие элементы или их группы. К ним относятся: бескорпусные активные и пассивные компоненты, пленочные резисторы и конденсаторы, контакты между пленочными проводниками, проволочные перемычки, сварные и паяные контакты, подложка, корпус и др.

Каждый из этих элементов характеризуется определенными интенсивностями отказов лi, определяемыми в результате экспериментального исследования характеристик надежности. Типовые значения лi (ч-1) для элементов и компонентов ГИС используемые в расчетах надежности представлены ниже :

- интенсивность отказов резисторов;

- интенсивность отказов конденсаторов;

- интенсивность отказов транзисторов;

- интенсивность отказов соединений в ГИС.

В период нормальной работы ИС закон распределения отказов во времени близок к экспоненциальному:

,

где - суммарная интенсивность отказов устройства,

- время, на которое производится расчет надежности.

,

где -- интенсивность отказов i-гo элемента (компонента); -- количество однотипных элементов (транзисторов, резисторов, конденсаторов и т. д.); n -- количество разновидностей элементов.

Расчет надежности производился с помощью IBM PC с установленной на него программой NAD32. Результаты полученные в программе показывают высокую надежность разрабатываемой ГИС, для времени в 10000 часов вероятность безотказной работы равна .

Графики зависимостей вероятностей безотказной работы и отказов от времени представлены на рис. 5 - 6.



Рисунок 6 - Вероятность безотказной работы



5. РАЗРАБОТКА ТОПОЛОГИИ И КОНСТРУКЦИИ ГИС

Основным завершающим этапом процесса конструирования гибридных ИМС является разработка топологического чертежа микросхемы и ее оптимизация. Топологический чертеж микросхемы представляет собой конструкторский документ, строго определяющий ориентацию и взаимное расположение всех элементов микросхемы на площади подложки, а также форму и размеры пассивных элементов. Его составляют с учетом ряда требований и ограничений, определяемых принципом работы и назначением микросхемы. Иначе говоря, топологический чертеж, или просто топология микросхемы, - это документ, предопределяющий оптимальное размещение элементов микросхемы на подложке и обеспечивающий изготовление микросхемы с заданными техническими и электрическими параметрами.

Разработку топологии рекомендуется проводить в такой последовательности: составление схемы соединения элементов на плате; расчет конструкций пленочных элементов; определение необходимой площади платы и согласование с типоразмером корпуса, выбранного для ГИС; разработка эскиза топологии; оценка качества разработанной топологии и при необходимости ее корректировка. При создании чертежа топологии необходимо обращать внимание на использование наиболее простых форм элементов, равномерность размещения элементов на плате, обеспечение удобств при выполнении сборочных операций, увеличение размеров контактных площадок, расширение допусков на совмещение слоев и т.д.

Виды конструктивных и технологических ограничений при проектировании ГИС:

1. В одной микросхеме следует применять навесные элементы с одинаковым диаметром и материалом гибких выводов. Однотипные по расположению выводов компоненты предпочтительнее ориентировать одинаково;

2. Навесные компоненты рекомендуется по возможности располагать рядами, параллельными сторонам платы. Допускается установка активных навесных компонентов с гибкими выводами вплотную, если контакт между ними не влияет на работоспособность схемы;

3. При рядном расположении навесных компонентов рекомендуется рядное расположение контактных площадок под одноименные выводы;

4. Не допускается установка навесных компонентов на пленочные конденсаторы, пленочные индуктивности и пересечения пленочных проводников. Допускается установка навесных компонентов на пленочные проводники и резисторы, защищенные диэлектриком;

5. Не допускается резкие изгибы и натяжения проволочных проводников. Не рекомендуется делать перегиб проволочного вывода через навесной компонент. Проволочные проводники и гибкие выводы не должны проходить над пленочным конденсатором;

6. Не допускается оставлять незакрепленные участки гибких выводов длинной более 3 мм.

Расчёт площади подложки:

,

где - коэффициент запаса по площади определяемый количеством элементов на схеме, их типом и сложностью связей между ними (для ориентировочных расчетов можно принимать К = 2…3);

,

- площади, занимаемые всеми резисторами, конденсаторами;

- площадь контактной площадки;



.

Будем использовать подложку большего размера 10Ч8 мм площадью , т.к. необходимо учитывать наличие навесных элементов приклеенных к подложке и технологические ограничения напыления пленок от краев подложки.

Пассивные элементы тонкопленочных ГИС наносим на подложку методом термовакуумного напыления.

Этапы производства ГИС

1- этап - подготовка подложки.

Подготовка подложки заключается в создании необходимой шероховатости поверхности и очистке от загрязнения.

2- этап - формирование пленочных элементов.

Последовательность формирования слоев пленочных элементов:

- 1-й слой - резистивный слой;

- 2-й слой - нижняя обкладка конденсатора;

- 3-й слой - контактные площадки, часть проводников;

- 4-й слой - диэлектрический слой конденсатора;

- 5-й слой - верхняя обкладка конденсатора;

- 6-й слой - защитный слой.

Последовательность технологических процессов формирования слоев пленочных элементов:

- напыление сплошной резистивной пленки;

- фотолитография резистивного слоя;

- напыление через маску нижней обкладки конденсатора;

- обратная фотолитография проводящего слоя;

- напыление через маску диэлектрика конденсатора;

- напыление через маску верхней обкладки конденсатора;

- напыление через маску защитного слоя

Основные операции метода термовакуумного напыления через съемные маски:

- установка съемной маски на подложку, которая помещается в вакуум.

В качестве материала съемной маски используют ленту бериллиевой бронзы толщиной 0,1--0,2 мм, покрытую слоем никеля толщиной около 10 мкм;

- создание испарителем в вакууме направленного потока испаряемого вещества с последующей конденсацией его на подложку;

- изъятие подложки из вакуума и снятие маски с подложки.

Основные операции фотолитографии:

- нанесение на подложку фоторезистивной маски;

- экспонирование;

- смывание засвеченных участков фоторезистивной маски проявителем;

- напыление проводящего слоя;

- экспонирование оставшейся фоторезистивной маски;

- смывание оставшейся фоторезистивной маски проявителем.

3- этап - формирование навесных элементов

приклеивание навесных элементов клеем ВК-32-200;

присоединение гибких выводов (термокомпрессия);

4- этап - контроль параметров и отбраковка подложки; разделение на платы (скрайбирование, разламывание).

5- этап - монтаж в корпус и герметизация.

- крепление подложки на основание корпуса клеем ВК-32-200;

- контактные площадки подложки соединяются с выводами корпуса тонкими золотыми проволочками диаметром около 50 мкм методом термокомпрессии;

- герметизация корпуса аргонодуговой сваркой.



6. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ГИС

Корпус ГИС не только защищает плату от воздействия внешних механических и климатических факторов, но и обеспечивает необходимый тепловой режим расположенных на ней элементов. Проблема теплоотвода тесно связана с проблемой обеспечения высокой надежности микросхем. Конструкция корпуса и теплотехнические свойства материалов в значительной степени определяют тепловой режим элементов кристалла. На рис. 8 показана упрощенная модель распределения тепловых потоков в ИС с полым стеклянным корпусом. Источники тепла с мощностями Р1, P2, ..., Рi, Рn и площадями S1, S2…, Si, Sn расположены в тонком приповерхностном слое кристалла.

Рис. 8 Упрощенная модель микросхемы в полом корпусе: 1- источник тепла; 2 - кристалл; 3 - корпус; 4 - клеевая прослойка; 5 - теплоотвод.

От источников к корпусу тепловой поток передается в основном в результате кондуктивного теплообмена. Передача тепла от корпуса в окружающую среду (атмосфера, теплоотвод) осуществляется путем конвективного и лучистого теплообмена, если корпус теплоизолирован от теплоотвода (корпус имеет штыревые выводы, зазор между дном корпуса и теплоотводом достаточен для эффективного перемешивания воздуха). Если же корпус находится в тепловом контакте с теплоотводом (тепловая воздушная стенка или клеевая прослойка, непосредственный контакт), то значительная часть теплового потока кристалла может отводиться в теплоотвод через дно корпуса.

Расчет теплового режима разрабатываемой ГИС сделаем при помощи IBM PC с установленной на него программой «Тепловой расчет ГИС».

Исходные данные приведены в табл.1-2

Таблица 1 - Общие исходные параметры

Параметр	Значение
Толщина подложки, мм	0,8
Толщина слоя клея, мм	0,1
Коэффициент теплопроводности подложки, Вт/(м*°С)	1
Коэффициент теплопроводности клея, Вт/(м*°С)	0,3
Количество НЭ	1
Количество пленочных резисторов	4
Температура окружающего воздуха, °С	110

Таблица 2 - Параметры элементов

№ элемента	1	2	3	4	5	6
Компонент	R1	R2	R3	R4	VT1	VT1
Координаты центра	X	2,1	1,9	2,18	5,1	5,1	5,3
	Y	8,85	7,35	5,38	2,35	7,85	6,5
Размеры компонента, мм	X	0,85	2,15	0,85	2,15	0,7	0,7
	Y	1,7	1,85	1,7	1,85	0,7	0,7
Мощность рассеивания, мВт	30	20	30	20	15	15
Удельная мощность рассеивания, Вт/м2	20000	20000	20000	10000	10000	10000
Предельно допустимая температура, °С	125	125	125	125	85	85

Введя исходные данные в программу, были получены следующие результаты

1- элемент:

- внутренний перегрев: 27,9 град.

- собственный перегрев: 0 град.

- перегрев от фоновых составляющих: 2 град.

- полный перегрев с учетом температуры воздуха: 79,9 град.

- температура элемента не превышает максимально допустимую для него 125 град.

2- элемент:

- внутренний перегрев: 4,4 град.

- собственный перегрев: 0 град.

- перегрев от фоновых составляющих: 2 град.

- полный перегрев с учетом температуры воздуха: 56,4 град.

- температура элемента не превышает максимально допустимую для него 125 град.

3- элемент:

- внутренний перегрев: 27,9 град.

- собственный перегрев: 0 град.

- перегрев от фоновых составляющих: 2 град.

- полный перегрев с учетом температуры воздуха: 79,9 град.

- температура элемента не превышает максимально допустимую для него 125 град.

4- элемент:

- внутренний перегрев: 4,4 град.

- собственный перегрев: 0 град.

- перегрев от фоновых составляющих: 2 град.

- полный перегрев с учетом температуры воздуха: 56,4 град.

- температура элемента не превышает максимально допустимую для него 125 град.

5- элемент:

- внутренний перегрев: 30 град.

- собственный перегрев: 0 град.

- перегрев от фоновых составляющих: 0 град.

- полный перегрев с учетом температуры воздуха: 82 град.

Температура элемента не превышает максимально допустимую для него 85 град.

6- элемент:

- внутренний перегрев: 30 град.

- собственный перегрев: 0 град.

- перегрев от фоновых составляющих: 0 град.

- полный перегрев с учетом температуры воздуха: 82 град.

Температура элемента не превышает максимально допустимую для него 85 град.

Наиболее нагретым является 5-й и 6-й элементы с температурой 82 град. Чтобы не было перегрева элементов необходимо обеспечить качественное охлаждение корпуса, также можно изменить топологию схемы максимально удалив друг от друга наиболее тепловыделяющие элементы, но это повлечет за собой увеличение габаритов.



ВЫВОД

В ходе выполнения данного курсового проекта были произведены анализ заданной ГИС и расчет ее элементов, по результатам которых была разработана конструкция гибридной интегральной микросхемы. Был выбран комбинированный метод изготовления платы данной микросхемы - масочный и фотолитографический, как метод дающий наиболее приемлемые результаты точности получаемых пленочных элементов. Были рассчитаны показатели надежности свидетельствующие о высоком качестве разработанного изделия. При анализе теплового режима разработанной ГИС были рассмотрены основные теплонагруженные элементы и даны рекомендации по уменьшению температуры элементов микросхемы. На разработанную ГИС составлен комплект графической документации.



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Арушанов А.П., Ганжа С.Н., Тюндер И.С. Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине: «Микросистемная техника и технологии» 2010.

2. Коледов Л. А. «Конструирование и технология микросхем. Курсовое проектирование». Издательство «Высшая школа», 1984

3. Жигальский А.А. Проектирование и конструирование интегральных микросхем. Томск, 2007.

4. Дикарев Ю.И. Расчет и проектирование гибридных микросхем. Воронеж, 2001.

5. Александров К.К. Кузьмина Е.Г. Электротехнические чертежи и схемы. Москва: Энергоатомиздат 1990.

Размещено на Allbest.ru

...