Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Северо-Западный государственный заочный

Технический университет

КУРСОВАЯ РАБОТА

РАЗРАБОТКА ТОПОЛОГИИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БЕСКОРПУСНОЙ ТОНКОПЛЕНОЧНОЙ МИКРОСБОРКИ

Выполнил: студент Красовский Д.О.

курс третий

факультет радиоэлектроники

Проверил:д-р тех. наук

Васильев Ю.Г.

г. Кандалакша

2007 г.

Содержание

• 1. Задание на курсовую работу
• 2. Схемотехнические данные и используемые материалы
• 2.1 Схема микросборки, электрические и эксплуатационные данные
• 2.2 Материалы, используемые для разработки микросборки
• 2.3 Технологические требования и ограничения
• 3. Разработка коммутационной схемы соединений
• 4. Расчет тонкопленочных элементов микросборки
• 4.1 Расчет тонкопленочных резисторов
• 4.2 Расчет пленочных конденсаторов
• 4.3 Расчет пленочных проводников и контактных площадок ИМС
• 5. Разработка топологии ИМС
• 6. Разработка технологии изготовления микросборки
• Заключение
• Список литературы

1. Задание на курсовую работу

Разработать на основе тонкопленочной технологии топологию и технологию изготовления бескорпусной интегральной микросборки, представляющей собой два параллельно включенных Т-образных четырехполюсника. Выбор варианта курсовой работы произвести из приведенных ниже исходных данных.

2. Схемотехнические данные и используемые материалы

Микросборка (МСБ) - микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию и разрабатываемое для конкретной радиоаппаратуры с целью обеспечения комплексной микроминиатюризации последней. МСБ используются в радиоаппаратуре различного функционального назначения в качестве субблоков, блоков и отдельных устройств. В качестве основания в МСБ применяются в основном керамические или ситалловые подложки, на которых формируется пленочная конфигурация микросборки и устанавливаются различные компоненты (диоды, транзисторы, микросхемы и т.д.). По технологии изготовления МСБ не отличаются от пленочных и гибридных микросхем.

Исходными данными для разработки топологии МСБ являются:

- схемотехнические данные: электрическая схема и электрические данные;

- эксплуатационные данные и требования;

- технологические требования и ограничения;

- конструктивные данные и требования.

2.1 Схема микросборки, электрические и эксплуатационные данные

Электрическая схема МСБ изображена на рис. 1 и представляет собой два параллельно включенных Т-образных четырехполюсника. Первый состоит из двух резисторов R1 и конденсатора C2, а второй - из двух конденсаторов C1, представляющих собой плечи четырехполюсника, и резистора R2.



рис. 1

Исходные электрические и эксплуатационные данные и материалы приведены в табл. 1.1…1.5

бескорпусный тонкопленочной микросборка

табл. 1.1

Исходные данные
Предпоследняя цифра шифра	9
R1,кОм	13,8
R2,кОм	6,9
Кол-во МСБ на подложке	1
Последняя цифра шифра	5
С1,пФ	2400
С2,пФ	4800
Рабочее напряжение конденсатора Uр, В	18
Материал диэлектрика конденсатора	Al2O3
Мощность рассеяния резисторов Рi, мВт	12
Материал резисторов	Ta2N
Допуски на номиналы резисторов и конденсаторов	дRi = дCi = ± 10%
Погрешности
Погрешность воспроизведения поверхностного удельного сопротивления s, %	2
Погрешность сопротивления контактов Rк, %	2
Погрешность воспроизведения удельной емкости Co, %	2
Эксплуатационные данные
Интервал рабочих температур , 0С	- 30…+30
Время эксплуатации t, ч.	103

2.2 Материалы, используемые для разработки микросборки

табл. 1.2

Характеристики материалов пленочных резисторов
Материал резистора	Нитрид тантала (Та2N)
Материал контактных площадок	Та
Удельное поверхностное сопротивление S, Ом/?	200
Температурный коэффициент сопротивления TKR, 1/град	0
Удельная мощность рассеяния Р0, Вт/см2	3
Коэффициент старения резистора КстR, 1/ч.	0,210-5
Способ нанесения пленок	Катодное распыление
Характеристики материалов пленочных конденсаторов
Материал диэлектрика	Окись алюминия (Al2O3)
Материал обкладок	Алюминий+никель
Диэлектрическая проницаемость на частоте 1кГц	8
Удельная емкость С0, пФ/см2	(3…4)104
Тангенс угла диэлектрических потерь tg на частоте 1кГц	0,3…1
Температурный коэффициент емкости ТКС, град-1	(3…4) 10-4
Электрическая прочность Епр, В/см	5106
Коэффициент старения емкости КстC, 1/час	10-
Способ нанесения пленок	Реактивное распыление, анодное окисление

табл. 1.3

Характеристики материала подложки
Материал	Ситалл СТ50-1
Класс чистоты обработки	13…14
Температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР (х107) при Т=20…3000С, 1/град	502
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м 0С)	1,5
Диэлектрическая проницаемость при f=1МГц и Т=200С	5…8,5
Тангенс угла диэлектрических потерь tg (х104) при f=1МГц и Т=200С	20
Объемное удельное сопротивление V при Т=250С, Омсм	-
Электрическая прочность Епр,	-

Материал для контактных площадок и проводников необходимо выбрать такой, чтобы:

1. Обладал высокой адгезией с подложкой.

2. Обеспечивал необходимую проводимость электрического тока.

3. Должен быть: химически инертным, стабильным.

Всеми перечисленными выше свойствами обладает алюминий с подслоем нихрома. Подслой нихрома обеспечивает особо прочное соединение с подложкой и последующими слоями, слой алюминия обеспечивает высокую проводимость, химическую инертность и стабильность.

табл. 1.4

Характеристики тонкопленочных проводников и контактных площадок
Материал подслоя	нихром Х20Н80
Толщина подслоя, мкм	0,01…0,03
Материал слоя, мкм	алюминий А97
Толщина слоя, мкм	0,3…0,5
Удельное поверхностное сопротивление S, Ом/?	0,06…0,1
Рекомендуемый способ контактирования внешних выводов	Сварка сдвоенным электродом

Материал для защиты элементов выбирается по электрической прочности. Он должен обладать низким ТКС, малым tg и большим объемным сопротивлением.

табл. 1.5

Характеристики материала, применяемого для защиты элементов
Материал диэлектрика	Моноокись кремния (SiO)
Удельная емкость С0, пФ/мм2	17
Тангенс угла диэлектрических потерь tg на частоте f =1 кГц	0,03
Удельное объемное сопротивление V, Омсм	1012
Электрическая прочность Епр, В/см	3106
Температурный коэффициент емкости ТКС при Т=-60…85С,1/град	510-4

2.3 Технологические требования и ограничения

Конструктивные данные характеризуют:

1) объем и форму гибридной ИМС;

2) размеры платы (подложки), число и расположение выводов;

3) размеры и способ монтажа компонентов;

4) способ монтажа ИМС в корпусе.

При проектировании топологии гибридной ИМС необходимо руководствоваться следующими требованиями.

1. Размер платы (подложки) ИМС выбирается в соответствии с типовыми размерами, габариты которых представлены в табл. 2. Платы с типоразмерами № 3…10 используются в стандартных корпусах, остальные - в бескорпусных ИМС и микросборках.

Типоразмеры плат (подложек) таб. 2

№ типоразмера	Ширина, мм	Длина, мм	№ типоразмера	Ширина, мм	Длина, мм	№ типоразмера	Ширина, мм	Длина, мм
1	96	120	8	12	6	15	8	15
2	60	96	9	10	16	16	8	10
3	48	60	10	10	12	17	24	60
4	30	48	11	5	6	18	20	45
5	24	30	12	2,5	4	19	20	45
6	20	24	13	16	60	-	-	-
7	16	20	14	32	60	-	-	-

2. Компоненты необходимо по возможности располагать рядами, параллельными сторонам платы и одинаково ориентированными.

3. Не допускается монтаж компонентов на пленочные конденсаторы и пересечения проводников.

4. Периферийные контактные площадки располагают по четырем или двум противоположным сторонам платы.

5. Шаг расположения контактных площадок соответствует ряду 0,625; 1,250 и 2,500 мм (для бескорпусной защиты) или расположению выводов корпуса (для корпусной защиты).

6. Пленочная и гибридная ИМС должны иметь ключ - увеличенную контактную площадку или специальный знак, который должен располагаться в левом нижнем углу на большей стороне платы, ключ вычерчивается в процессе проектирования топологии ИМС.

Пассивные элементы, к точности которых предъявляются жесткие требования, располагаются на расстоянии 500 мкм при масочном методе и 200 мкм при фотолитографии от краев и осевых линий прижимных перегородок.

Для совмещения элементов, расположенных в разных слоях, предусматривается перекрытие не менее 200 мкм при масочном и совмещенном методах и менее 100 мкм при фотолитографии.

1. Для измерения номиналов пленочных элементов и контроля режимов схемы предусматриваются контактные площадки размером не менее 200Ч200 мкм.

2. Минимально допустимое расстояние между пленочными элементами (в том числе, и контактными площадками) составляет 300 мкм при масочном методе и 100 мкм при фотолитографии.

3. Минимальное номинальное значение сопротивления пленочного резистора устанавливается в 50 Ом, при этом длина резистора не должна быть менее 100 мкм.

4. Минимально допустимая ширина пленочных резисторов составляет 100 мкм при масочном методе и фотолитографии и 50 мкм при танталовой технологии.

5. Нижняя обкладка конденсатора должна выступать за край верхней обкладки не менее чем на 200 мкм, диэлектрик должен выступать за край нижней обкладки не менее чем на 100 мкм (исключение составляют конденсаторы, образованные пересечением двух полосок).

6. Минимально допустимая ширина пленочных проводников составляет 100 мкм при масочном методе и 50 мкм при фотолитографии и танталовой технологии.

7. Минимально допустимое расстояние между пленочными элементами, расположенными в разных слоях, составляет 200 мкм при масочном и совмещенном методах и 100 мкм при фотолитографии и танталовой технологии.

8. Минимально допустимые размеры контактных площадок составляют: при приварке гибких выводов 200Ч150 мкм, для припайки 400Ч400 мкм.

9. Не рекомендуется проектировать пленочные резисторы с числом квадратов менее 0,1 и конденсаторы с площадями менее 0,5Ч0,5 мм и суммарной площадью более 2 см.

3. Разработка коммутационной схемы соединений

Нижеприведенные преобразования исходной электрической схемы ИМС и схематический план размещения элементов и соединений между ними на подложке ИМС на рис. 2 позволяют:

- упростить конфигурацию электрической схемы для уменьшения числа пересечений изгибов, получения прямых линий;

- выделить на преобразованной схеме пленочные и навесные элементы;

- обеспечить электрическую схему внутренними и внешними контактными площадками;

- расположить элементы и соединения с учетом равномерного распределения мощности рассеяния;

- расположить контактные площадки равномерно на поверхности подложки с учетом кратчайшего прохождения электрических сигналов с целью уменьшения их искажений.

рис. 2

4. Расчет тонкопленочных элементов микросборки

4.1 Расчет тонкопленочных резисторов

Конструктивно пленочный резистор представляет собой резистивную пленку, нанесенную на соответствующую подложку и состыкованную с контактными площадками. Исходными данными для расчета пленочных резисторов являются схемотехнические данные и данные по материалам (см. табл. 1.1…1.5).

Цель расчета - определение геометрических размеров и формы пленочных резисторов, обеспечивающих получение резисторов с воспроизводимыми и стабильными параметрами.

Производится расчет коэффициента формы Кф для определения степени сложности геометрической конфигурации резисторов. Величина Кф рассчитывается по формуле:

Для R1 Кф =13800/200=69

Для R2 Кф= 6900/200 =34,5

Так как у обоих резисторов Кф>10, осуществляется расчет резисторов сложной геометрической формы типа «меандр». Геометрическая конфигурация меандра, состоящего из Г- образных звеньев, изображена на рис.4.1



Рис. 4.1.

На рис. 4.1 изображен "меандр", состоящий из пяти Г-образных звеньев, и введены следующие обозначения: t = b + а -- период ( шаг) звеньев; b - ширина резистивной пленки; а - расстояние между резистивными полосками; А и В - габаритные размеры "меандра" вдоль осей X и Х соответственно. Расчет осуществляется по формуле:

bp =

где: Pi - мощность рассеяния резистора;

Р0 - удельная мощность рассеяния материала пленки резистора (берется из табл. 1.2).

Для R1

Для R2

Определяем расчетную ширину bрасч резистора по формуле:



где: bтехн- величина, обусловленная технологическими ограничениями,

bтехн -- 100 мкм

где: - погрешности, вызванные точностью изготовления геометрических контуров пленки, которые при масочном методе изготовления составляют ±10 мкм.

гкф доп - допустимая погрешность коэффициента формы резистора, которая определяется из выражения (4.5):

гкф доп =гRi - гps - гctR - гRt - гRk ,

где: гRi = д|Ri| = 0,1 (10%) погрешность номинала Ri. Берется из исходных данных (см. табл. 1.1)

гps = 0,02 (2%) - погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления;

гrк = 0,02 (1.. .2 %) - погрешность сопротивления контактов;

гctr - относительное изменение сопротивления, рассчитывается по формуле:

гстR = КстRДt

где: KctR - коэффициент старения, характеризует временную нестабильность сопротивления,

KctR= 0,2·10-5 1/час, исходные данные (табл. 1.2), Дt - время эксплуатации, Дt = 1000 часов, исходные данные (см. табл. 1.1)

гrt - относительная температурная погрешность, рассчитывается по формуле:

гRт = бRi ДT

где: бRi - температурный коэффициент сопротивления TKR, бR1 = бR2 = 0 1/ С, исходные данные (см. табл. 1.2)

Т= Тв - Тн = 60 - интервал рабочих температур.

Для обоих резисторов:

ycxR = 0,2· 10-5 ·1000=0,002

гКф = 0·10-4 -60=0

гкц доп = 0,1 - 0,02 - 0,002 - 0- 0,02=0,058

Для R1: bточн = [10+(10/69)]/0,058 = 175 мкм

Для R2: bточн = [10+(10/34,5)]/0,058 = 177 мкм

Определяем расчетную ширину bрасч резистора:

Для R1: bрасч = 175 мкм

Для R2: bрасч = 177 мкм

Определяем оптимальное число звеньев nопт «меандра»:

Значение nопт рассчитывается, исходя из условия минимизации площади SRi «меандра». Минимальное значение SRi достигается при меандре квадратной формы, когда выполняются условия А=В и а = Ьрасч. В этом случае:



Для R1:

Для R2:

Рассчитаем шаг t одного звена меандра.

Величина t рассчитывается по формуле:

t = a + bрасч. = 2bрасч

Для Rl: t =2·175=350 мкм

ДляR2: t =2·177=354 мкм

Определим габаритный размер А.

Значение А рассчитывается по формуле:

A = B = t nопт. = 2bрасч.nопт.

Для R1: А=350·6=2100 мкм

Для R2: А=354·4=1416 мкм

Рассчитаем уточненный габаритный размер В=В0.

Необходимость корректировки размера В вызвана следующими причинами. Величина В получена в предположении, что общая длина I резистивной пленки, свернутой в виде меандра и обеспечивающей достижение номинала сопротивления Ri , равна длине вытянутой прямолинейной полоски, т.е. I = Ьрасч Кф. На самом деле, при свертывании прямолинейной полоски в меандр общее сопротивление резистивной пленки увеличивается из-за увеличения сопротивления RH в местах прямоугольных изгибов. В связи с этим сопротивление меандра Rim превышает заданное номинальное значение сопротивления Ri? в связи с чем возникает необходимость в изменении геометрических размеров меандра. Корректировка осуществляется за счет изменения параметра В, оставляя неизменными ширину Ьрасч. резистивной пленки и размер А.

Уточненное значение размера В0 определяется по следующей формуле:

B0 = B - bрасч.[(mи Rи /сsnопт.) - 2],

где mи = 2nопт.- 1 - число прямоугольных изгибов; Rи= 2,55сs - сопротивление одного прямоугольного изгиба.

для R1: mи = 2nопт.- 1=2·6-1=11

Во = 2100-175· [(11·2,55/6)-2] =1632 мкм

для R2: mи = 2nопт.- 1=2·4-1=7

Во = 1416-177· [(7-2,55/4)-2] =980 мкм

Рассчитаем длину резистивной пленки меандра:

?м = nопт.(B0 + bрасч.),

для R1: ?м = 6· (1632 +175)=10842 мкм,

для R2: ?м = 4· (980 +177)=4628 мкм.

Определим полную длину резистивной пленки:

?полн. = ?м + 2e,

где e - размер перекрытия контактной площадкой резистивной пленки выбирается из технологических ограничений (е ? 200).

для R1: ?полн. = 10842 + 2-200= 11242 мкм,

для R2: ?полн. = 4628 + 2-200= 5028 мкм.

Рассчитаем габаритную площадь Sr, занимаемую меандром.

Sr=AB0.

для Rl: Sr = 2100·1632=3427200 мкм2 ? 0,034 см2

для R2: Sr = 1416·980=1387680 мкм2 ? 0,014 см2

Определим площадь SRi резистивной пленки:

SRi = ?полн. bрасч.

для Rl: SR1 = 11242·175=1967350 мкм2 ? 0,02 см2

для R2: SR2 = 5028·177=889956 мкм2 ? 0,009 см2

Определим мощность рассеяния PRi резистором:

PRi=SRiP0,

где Р0 - удельная мощность рассеяния резистивной пленки (Р0 = 3 Вт/см2).

для Rl: PR1 = 0,02·3 = 0,06 Вт =60 мВт,

для R2: PR2 = 0,009·3 = 0,027 Вт =27 мВт.

Определим коэффициент Кз запаса по мощности:

Kз = PRi/Pi

для Rl: К3= 60/12=5

для R2: К3= 27/12=2,25

Для обоих резисторов величина Кз > 1, следовательно, оба резистора удовлетворяют исходным требованиям минимально допустимой мощности рассеяния.

Определяем общую площадь резисторов ИМС:

Общая площадь Sri резисторов, расположенных на подложке ИМС, рассчитывается по формуле:



где I - количество резисторов на подложке.

На подложке расположены два резистора R1 и один R2

SRI= 2·SRI+ SR2 = 2·0,034+0,014 = 0,082 см2

После произведенных расчетов резисторы, расположенные на подложке ИМС, изображены на рис. 4.2 (масштаб 20:1).

рис. 4.2

4.2 Расчет пленочных конденсаторов

Пленочный конденсатор представляет собой трехслойную структуру, нанесенную на диэлектрическую подложку. Первый слой - проводящий слой, являющийся нижней обкладкой конденсатора, второй слой представляет собой однослойный или многослойный диэлектрик, и третий слой - проводящий слой верхней обкладки конденсатора.

Цель расчета - определение геометрических размеров и формы пленочных конденсаторов, обеспечивающих получение конденсаторов с воспроизводимыми и стабильными параметрами.

Для микросборки использованы конденсаторы квадратной формы. Их конфигурация представлена на рис. 4.2.



Рис. 4.2

Расчет тонкопленочных конденсаторов осуществляется на основе исходных данных (см. табл. 1.1…1.2).

Расчет толщины d диэлектрика конденсатора производится из условия обеспечения электрической прочности Епр.

Значение d определяется по формуле:

d = k3Up/Enp., [см],

где k3 = 3 - коэффициент запаса,

Up= 18 В - рабочее напряжение (см. табл.1.1),

Епр= 5·106 В/см - электрическая прочность для окиси алюминия (Al2O3), (см. табл.1.3)

Для обоих конденсаторов: d = 3 · 18/5 · 106=12· 10"6 см = 1,08· 10-5 см

Определяем удельную емкость C0d конденсатора, соответствующую требуемой электрической прочности, осуществляется по формуле: C0d= 0,0885е/d, [пФ/см2],

где d - толщина, см, е - диэлектрическая проницаемость на частоте 1кГц (см. табл.1.3).

Для обоих конденсаторов: Cod= 0,0885·8/1,08·10-5 =65,556 пФ/см2

Расчет допустимой погрешности Sдоп площади производится по формуле:

Sдоп = Ci - Co - Cт - стC.

где: Ci = ¦д Ci ¦ и уСо- допуск на номинал и погрешность воспроизведения удельной емкости, значения которых приведены в табл. 1.1 и равны соответственно 0,1 (10%) и 0,02 (2%); Cт - температурная погрешность, которая рассчитывается по формуле:

Cт = бCi ДФ

где: бCi - температурный коэффициент емкости ТКС, характеризует отклонение ДCi (Ф) емкости от номинального значения Ci в зависимости от изменения температуры ДФ. Значение бCi является справочной величиной,

бC1 = бC2= 4· 10-4 1/°С,

где: ДФ - интервал рабочих температур. ДТ=60°С

стC - погрешность обусловленная старением материалов, рассчитывается по формуле:

устС = КстС·Дt.

где: КстС - коэффициент старения емкости, характеризует изменение ДCi (t) емкости Ci в зависимости от времени t, Кстс =10-5 1/час, Дt - время эксплуатации конденсатора. Дt = 1000 часов.

Для обоих конденсаторов:

уСт = 4·10-4·60=0,024

устС = 10-5·1000 = 0,01

Sдоп = Ci - Co - Cт - стC = 0,1-0,02-0,024-0,01= 0,046

Рассчитаем удельную емкость C0S конденсатора, соответствующую допустимой погрешности площади Sдоп конденсатора.

Для конденсатора прямоугольной формы с площадью верхней площадки S=AЧB осуществляется по формуле:

C0S = Сi(Sдоп /A)2 Kф/ (1+Kф)2 , [пФ/см2],

где Кф = А/В - коэффициент формы конденсатора; А - большая сторона верхней обкладки конденсатора, [см];

ДА=ДВ - ошибка (точность изготовления) линейных размеров, [см] (ДА=ДВ=10 мкм = 0,001 см), при изготовлении геометрической формы обкладки конденсатора выбирается квадратной формы: А=В, величина Кф=1 и, следовательно:

C0S = Сi(Sдоп /A)2 / 4 , [пФ/см2].

Для конденсатора Cl: Cos = 2400·(0,046/0,001)2 /4= 1269600 пФ/см2

Для конденсатора С2: Cos = 4800·(0,046/0,001)2/4 = 2539200 пФ/см2

Определяем минимальную удельную емкость С0m конденсатора, обеспечивающую заданное значение Up, а также отвечающую требуемой величине Ci =Ci, по условию:

C0m = min{C0d , C0S}, [пФ/см2].

Для конденсатора Cl: C0m = min{65556, 1269600} = 65556 пФ/см2

Для конденсатора С2: С0m = min{65556, 2539200} = 65556 пФ/см2

Рассчитаем площадь SВ верхней обкладки конденсатора:

Sв = Ci / С0m , [см2]

Для конденсатора Cl: SB=2400/65556 = 0,03661 см2

Для конденсатора С2: SB=4800/65556 = 0,07322 см2

Определяем габаритные размеры АВ и ВВ верхней обкладки конденсатора.

Для конденсатора прямоугольной формы размеры обкладки определяются выбранным коэффициентом формы Кф= Ав/Вв, задаваясь, с учетом технологических требований и ограничений, размером Вв. Тогда:

Так как выбран конденсатор квадратной формы, для которого Кф =1 то:

Для конденсатора С1: ;

Для конденсатора С2:

Рассчитываем габаритные размеры АН и ВН нижней обкладки конденсатора.

Для конденсатора квадратной формы:

БЗ = ВЗ = БВ+2у,

где: у ? 200 мкм - технологическое ограничение на перекрытие обкладок конденсатора.

Для конденсатора С1: Ан = Вн = 0,1913+2·0,02= 0,2313 см;

Для конденсатора С2: Ан = Вн = 0,2708+2·0,02= 0,3108 см;

Определяем габаритные размеры АД и ВД диэлектрика.

Для конденсатора квадратной формы

Ад = Вд = Ан+2g

где: g ? 100 мкм - технологическое ограничение на перекрытие нижней обкладки конденсатора диэлектриком.

Для конденсатора С1: Ад = Вд = 0,2313+ 2·0,02= 0,2713 см;

Для конденсатора С2: Ад = Вд = 0,3108+2·0,02= 0,3508 см;

Определяем площадь SCi, занимаемую конденсатором.

Площадь конденсатора определяется площадью диэлектрика:

SCi = Sд = АдВд

Для конденсатора Cl: SС1 = SД= 0,27132 = 0,0736 см2

Для конденсатора С2: SС2 = SД= 0,35082 = 0,12306 см2

Расcчитаем добротность Qi конденсатора по формуле:

Qi = 1/tgi,

tgi = tgД + tgоб;

tgД = 0,3 - тангенс угла диэлектрических потерь в диэлектрике, который является постоянной справочной величиной, его значение берется из табл.1.3; tgоб - тангенс угла потерь в обкладках конденсатора, который определяется по формуле:

tgоб = 4 Ci(rв + rн)/1012,

где f = 1000 Гц - частота, на которой измеряются потери; Ci - номинал емкости конденсатора, [пФ];

rв и rн - сопротивления соответственно верхней и нижней обкладок конденсатора, [Ом], для конденсатора квадратной формы гв= гв = рsoбкл = 0,2 Ом, значение берется из табл. 1.5. Для алюминиевых обкладок:

Для конденсатора Cl: tgдo6 = 4р·103·2400(0,2+0,2)/1012 = 0,000012063,

tgд1 = 0,3+0,000012063 = 0,300012063,

Qi= l/tgд1 = 1/0,300012063 ? 3,332

Для конденсатора C2: tgдo6 = 4р·103·4800(0,2+0,2)/1012 = 0,000024127,

tgд2 = 0,3+0,000024127 = 0,300024127,

Qi = l/tgд2 = 1/0,300024127 ? 3,333

рис. 4.3

Определим общую площадь конденсаторов на подложке ИМС.

Общая площадь SCG пленочных конденсаторов на подложке рассчитывается по формуле:



где G - количество конденсаторов на подложке ИМС.

Scg = SСl+SС1+SC2 = 0,0736 + 0,0736+ 0,12306 = 0,27026 см2.

После произведенных расчетов конденсаторы, расположенные на подложке ИМС, изображены на рис. 4.3 (масштаб 20:1).

4.4 Расчет пленочных проводников и контактных площадок ИМС

Выбор материала проводников и контактных площадок производиться из табл. 1.2 и 1.5 в соответствии с вариантом. Для обеспечения высокой технологичности при производстве ИМС пленочные проводники и контактные площадки изготавливаются из одного и того же материала - алюминия с подслоем нихрома.

Определение геометрических параметров соединительных проводников.

Длина linp i-гo проводника, соединенного с резистором номиналом Ri, определяется, исходя из условия:

Riпр = sпр?iпр / biпр Rпр.доп = (0,1…0,2)RiRi,

где sпр - удельное поверхностное сопротивление материала проводника sпр = 0,1 Ом/?; biпр - ширина проводника; Ri - отклонение от номинала Ri, заданное в исходных данных (см. табл. 1.1).

Тогда:

?iпр (0,1…0,2)biпрRi Ri /sпр.

Ширина biпр i-го проводника задается, исходя из условия, что biпр не более ширины резистивной пленки bрасч (см. формулу (4.13)) и соответствует технологическим ограничениям bтехн, т.е.

biпр = max {bрасч. , bтехн.},

bnp = max{177, 100}.

Ширина проводника выбирается равной 177 мкм.

Подставляя значения bпр, | дRi | и sпр, получаем: ?iпр 17,7 · Ri

Для проводников R1: ?пр1 17,7 ·13800 = 244260 мкм.

Для проводников R1: ?пр2 70,4 ·6900 = 122130 мкм.

Для всех проводников, достаточно принять длину, равную ?пр = 8000 мкм

Расчет ориентировочной габаритной площади Siпр проводников производится по следующей формуле:

Sпр = q·?iпрbiпр

где: q - количество проводников.

Общая габаритная площадь SJпр всех проводников на подложке ИМС определяется по формуле:

где J - число проводников на подложке, соединяющих через контактные площадки элементы, компоненты и отдельные контактные площадки. SJnp = 12· (8000Ч177) = 16992000 мкм2 = 0,1699 см2

Расчет геометрических размеров контактных площадок.

В пленочных и гибридных ИМС контактные площадки служат для обеспечения двух типов контактных переходов:

- "низкоомная проводящая пленка - низкоомная проводящая пленка", т.е. контакт "проводник - проводник",

- "резистивная пленка - низкоомная проводящая пленка".

К первому виду контактов относятся контакты типа "контактная площадка - обкладка конденсатора", " проводник - контактная площадка - проводник".

Для первого типа контактов выбор длины ?пл и ширины bпл контактных площадок осуществляется, исходя из технологических ограничений и требований и выбираются равными 500Ч500 мкм.

Для второго типа контактов величина biпл (i - номер контактной площадки, соединенной с i-м резистором) выбирается с учетом технологических ограничений при совмещении разных слоев, т.е.

biпл. = bRi.+2·200

Для контактных площадок R1: b = bR + 2·200=175+2·200=575 мкм.

Для контактных площадок R2: b = bR + 2·200=177+2·200=577 мкм.

Для всех контактных площадок b выбирается равным 580 мкм.

?iпл рассчитывается, исходя из условия Riпл Rк Ri/2,

где Ri и Riпл - номиналы сопротивления i-го резистора и сопротивление i-й контактной площадки соответственно; Rк - погрешность переходного сопротивления области контакта “резистор - контактная площадка”, которая составляет Rк 2 % (см. исходные данные в табл. 1.1).

Используя формулу

Riпл = sпл ?iпл / biпл ,

где sпл = sпр., получим соотношение для определения ?iпл.:

?iпл. biпл. Rк Ri/sпр2.

Для контактных площадок R1: ?пл. 580·0,02·13800/0,1·2 = 3201600 мкм.

Для контактных площадок R2: ?пл. 580·0,02·6900/0,1·2 = 1600800 мкм.

С учетом технологических ограничений ?iпл выбирается из условия

?техн. ?iпл. biпл. Rк Ri/sпр2

200. ?iпл. 1600800

Для всех контактных площадок ?пл выбираем равной 300 мкм.

Общая площадь SQпл, занимаемая на подложке контактными площадками, рассчитывается по формуле:

где Q - количество контактных площадок.

SQпл = 6 [контактные площадки: резистор - проводник]

+ 8 [контактные площадки: проводник - проводник]

+ 2 [контактные площадки: для припайки выводов]

SQпл = 6·(580 Ч 300)+8·(500 Ч 500)+2·(500 Ч 500) = 3544000 мкм2 = 0,03544 см2.

После произведенных расчетов контактные площадки, расположенные на подложке ИМС, изображены на рис. 4.4 (масштаб 20:1).

Выбор типоразмера подложки ИМС.

Расчет общей площади SУ, занимаемой пленочными элементами, проводниками и контактными площадками:

S = SRI + SCG + Sпр + SQпл ,

где SRI, SCG, Sпр и SQпл - общие площади резисторов, конденсаторов, проводников и контактных площадок.

Sz = 0,082 + 0,27026 + 0,1699 + 0,03544 = 0,5576 см2

рис. 4.3

Определяем необходимую площадь Sп подложки:

Sп = S / ks,

где ks = (0,4.. .0,6) - выбираемый коэффициент использования подложки.

Sn =0,5576/0,5=1,1152 см2

Из табл.2 по данным расчетов выбран ближайший типоразмер подложки: № 10 (10Ч12 мм, S = 1,2 мм2).

5. Разработка топологии ИМС

Разработка топологии включает в себя компоновку элементов ИМС на подложке и разработку топологического чертежа ИМС в увеличенном масштабе. Исходными данными для разработки топологии являются:

1) разработанная коммутационная схема соединений - преобразованная электрическая схема ИМС, (представленная на рис.2)

2) рассчитанные в пп. 4.1..4.4 геометрические размеры пленочных элементов (резисторов, конденсаторов, проводников и контактных площадок);

3) размеры подложки;

4) технологические, электрические (схемотехнические), эксплуатационные и конструктивные данные, требования и ограничения, описанные в соответствующих разделах.

Разработанный топологический чертёж, выполненный в масштабе 20:1, представлен на рис. 5.1

6. Разработка технологии изготовления микросборки

Основные технологические операции при производстве гибридных ИМС

При производстве различных типов гибридных интегральных микросхем технологический процесс может содержать различные операции.

Основные операции при производстве гибридных ИМС:

- Получение подложки;

- Очистка подложки от химических и физических загрязнений;

- Нанесение резистивной пленки;

- Нанесение проводящей пленки;

- Фотолитография и травление;

- Лужение контактных площадок;

- Контроль и подгонка резисторов;

- Установка и распайка компонентов;

- Установка платы в корпус и распайка выводов;

- Герметизация;

- Выходной контроль;

Рассмотрим более подробно эти операции.

Получение подложки

Конструктивной основой гибридных ИМС является изоляционная подложка, которая существенно влияет на параметры пленочных элементов и на надежность микросхемы.

Подложка для пленочной микросхемы должна обладать хорошими диэлектрическими, механическими и температурными свойствами, т.е. подложка должна иметь малый температурный коэффициент линейного расширения, высокую механическую прочность, большое удельное сопротивление.

Материал, используемый для изготовления подложек, должен иметь однородный состав, гладкую поверхность (с чистотой обработки по 12--14-му классу), обладать высокой электрической и механической прочностью, быть химически инертным, обладать высокой теплостойкостью и теплопроводностью, коэффициенты термического расширения материала подложки и осаждаемой пленки должны быть близки по значению. Вполне понятно, что практически почти невозможно подобрать материалы для подложек, которые в равной степени удовлетворяли бы всем перечисленным требованиям.

В качестве подложек для гибридных ИС использую ситалл, фотоситалл, высокоглиноземистую и бериллиевую керамику, стекло, поликор, полиамид, а также металлы, покрытые диэлектрической пленкой.

Ситаллы--это стеклокерамические материалы, получаемые путем термообработки (кристаллизации) стекла. Большинство ситаллов получено в системах Li2О-Аl2О3-SiO2-ТiO2 и RО-Al2О3-SiO2-ТiO2 (КО типа СаО, МgО, ВаО).

В отличие от большинства высокопрочных тугоплавких кристаллических материалов ситалл обладает хорошей гибкостью при формировании. Его можно прессовать, вытягивать, прокатывать и отливать центробежным способом, причем он выдерживает резкие перепады температуры. Он имеет низкие диэлектрические потери, по электрической прочности не уступает лучшим сортам вакуумной керамики, и по механической прочности в 2--3 раза прочнее стекла. Ситалл не порист, газонепроницаем и имеет незначительное газовыделение при высоких температурах.

Поскольку по своей структуре ситаллы многофазны, то при воздействии на них различных химических реактивов, применяемых, например, для очистки поверхности подложки от загрязнений, возможно глубокое селективное травление отдельных фаз, приводящее к образованию резкого и глубокого рельефа на поверхности подложки. Наличие шероховатостей на поверхности подложки снижает воспроизводимость параметров и надежность тонкопленочных резисторов и конденсаторов. Поэтому для уменьшения высоты и сглаживания краев микронеровностей иногда на подложку наносят грунтующий слой из материала, обладающего хорошими диэлектрическими и адгезионными свойствами, а также однородной структурой (например, слой моноокиси кремния толщиной в несколько микрон).

Очистка подложки от химических и физических загрязнений.

Этот этап производства включает в себя следующие операции:

- шлифовка;

- полировка;

- обезжиривание;

- промывка в особо чистой воде;

Шлифовка и полировка диэлектрической подложки необходимы для получения ровной поверхности. При неровной поверхности на подложке скапливаются различные вещества, ухудшающие диэлектрические свойства подложки, кроме того, при тонкопленочной технологии, неровность подложки приведет к дефектам напыляемых пленок. Также, от качества поверхности и её чистоты зависят адгезионные свойства подложки (способность обеспечивать крепкое соединение с наносимыми пленками).

При обезжиривании используются различные растворители - органические соединители, способные растворять жиры, масла, воски, смолы, углеводороды (бензол, толуол, ксилол) или их смеси (бензин, лигроин, керосин, скипидар), а также используются различные спирты и некоторые другие растворители.

Для окончательного удаления загрязнений и самих растворителей, используется промывка в воде. Так как в воде растворимы многие соли, оксиды, кислоты и щелочи, природная вода никогда не может быть совершенно чистой и не может быть использована для отмывки пластин. Для этих целей используется особо чистая вода: дистиллированная - для предварительной отмывки и деионизованная (ионообменная) для заключительной.

Дистиллированная вода, получаемая многократной дистилляцией, содержит небольшое количество примесей (сухой остаток равен 5мг/л) и её электрическое сопротивление не превышает 100 кОмсм.

Деионизованную воду получают методом ионного обмена, сущность которого состоит в том, что в системе вода-ионит происходит обмен ионами. В воде всегда содержатся катионы железа, меди, кальция и т.п. и анионы хлоридов, сульфидов, бикарбонатов. Для очистки воды от них используют иониты - специальные катионовые и анионовые смолы. Удельное сопротивление деионизованной воды марки А -20 Момсм, а марки Б - 1 Момсм.

Нанесение резистивного и проводящего слоев

После очистки подложки на неё наносится резистивный, а затем проводящий слой.

Основными методами нанесения тонких пленок в технологии ИМС являются: термическое испарение в вакууме, катодное, ионно-плазменное и магнетронное распыления.

Термическое испарение в вакууме 10-3 - 10 -4 Па предусматривает нагрев материала до температуры, при которой происходит испарение, направленное движение паров этого материала и его конденсация на поверхности подложки. Рабочая камера вакуумной установки (рис. 6.1, а) состоит из металлического или стеклянного колпака 1, установленного на опорной плите 8. Резиновая прокладка 7 обеспечивает вакуум-плотное соединение. Внутри рабочей камеры расположены подложка 4 на подложкодержателе 3, нагреватель подложки 2 и испаритель вещества 6. Заслонка 5 позволяет в нужный момент позволяет прекращать попадание испаряемого вещества на подложку. Степень вакуума в рабочей камере измеряется специальным прибором - вакуумметром.

Катодным (ионным) распылением (Рис. 6.1, б) называют процесс, при котором в диодной системе катод-мишень 9, выполненный из распыляемого материала, оседающие в виде тонкой пленки на подложке 4. Ионизация инертного газа осуществляется электронами, возникающими между катодом-мишенью 9 и анодом 10 при U= 3-5 кВ и давлении аргона 1-10 Па.

Рис. 6. 1 Методы осаждения тонких пленок

а) - термическое испарение в вакууме; б) - катодное распыление; 1 - колпак; 2 - нагреватель подложки; 3 - подложкодержатель; 4 - подложка; 5 - заслонка; 6 - испаритель; 7 - прокладка; 8 - опорная плита; 9 - катод-мишень; 10 - анод

Получение необходимого рисунка пленочных элементов

Необходимая конфигурация пленочных элементов формируется в результате использования следующих наиболее распространенных методов:

съемной (свободной) и контактной маски,

фотолитографии,

комбинированного метода, основанного на одновременном использовании двух предыдущих способов.

После нанесения на подложку резистивного и проводящего слоя подложка имеет вид, представленный на Рис. 6.1.



Рис. 6.1

Необходимо получить определенный рисунок из этих слоев на поверхности подложки (например, для того, чтобы получить пленочный резистор, конфигурация слоев должна соответствовать Рис. 6.2).

Рис. 6.2

Для получения необходимого рисунка слоев служат операции литографии и травления. В процессе литографии на поверхности в соответствии с необходимой топологией схемы формируется защитная маска. Слово “литография” дословно переводится как рисунок на камне (лито - камень, граф - рисунок). При операции травления участки схемы, не защищенные маской, удаляются.

Количество операций литографии и травления зависит от количества слоев. Вообще говоря, в технологии микроэлектронных устройств литографические процессы наиболее часто повторяемы.

Литографические процессы формируют на поверхности слой стойкого к последующим технологическим воздействиям материала (защитную маску). Для этих целей на поверхность последнего напыленного слоя наносится материал, который способен под действием облучения определенной длины волны необратимо изменять свои свойства и, прежде всего стойкость к проявителям. Этот материал носит название “резист”. Резистный слой, локально облученный с помощью шаблона, обрабатывают в проявителе, где в результате удаления локальных участков получают резистивную маску, т.е. защитный рисунок.

Таким образом, литография - это совокупность фотохимических процессов, в которых можно выделить три основных этапа:

- формирование на поверхности материала слоя резиста;

- передача изображения с шаблона на этот слой (экспонирование);

- получение маски из резиста совпадающей по конфигурации с элементами схемы (проявление).

После получения защитной маски происходит операция травления, в результате которой участки проводящего и резистивного слоя, не покрытые защитной маской, удаляются в специальном растворе. Операции литографии и травления поясняет Рис. 6.3. На этом рисунке отображены следующие этапы литографии и травления:

1-исходная заготовка (подложка с резистивным и проводящим слоями),

2-после нанесения резиста и его сушки,

3-экспонирование через шаблон 8 (1-ая литография),

4-после проявления резиста, удаления необлученных участков резиста и задубливания облученных участков резиста,

5-после удаления проводящего и резистивного слоев, не защищенных маской (травление) и удаления облученных участков резиста,

6-повторное нанесение резиста;

Затем повторяются операции экспонирования (но уже через шаблон 9),

удаление необлученных участков резиста,

травление только проводящего слоя, удаление облученных участков резиста,

7 - конфигурацию пленочного резистора,

10-вид сверху.

В зависимости от длины волны применяемого излучения различают оптическую (фотолитография), рентгеновскую, электронную и ионную литографии. Причем, чем меньше длина волны, тем меньшие размеры элементов можно получить.

Фотолитография может быть контактной (шаблон при переносе изображения приводится в плотный контакт с фоторезистом), бесконтактной (на микрозазоре) и проекционной.

Рис. 6.3

При изготовлении данной ИМС целесообразно применить комбинированный метод, основанный на использовании принципов масочного и фотолитографического методов.

В этом методе масочный способ применяется для изготовления пленочных конденсаторов, а фотолитография используется для формирования конфигурации резисторов, проводников и контактных площадок. Типовой технологический процесс данного метода состоит из следующих технологических циклов:

первый цикл - напыление на ситалловую подложку (СТ 50-1), первого сплошного резистивного слоя;

второй цикл - нанесение поверх первого слоя второго слоя материала проводников и контактных площадок (см. рис. 6.1, б);

третий цикл - первая фотолитография для формирования конфигурации проводников и контактных площадок, (маска и подложка слоя проводников и контактных площадок - рис. 7.1 и рис. 7.2 Приложения соответственно);

четвертый цикл - вторая фотолитография для формирования пленочных резисторов, (маска и подложка резистивного слоя - рис. 7.3 и рис. 7.4 Приложения соответственно);

пятый цикл - используется метод съемной маски в непрерывном вакуумном процессе напыления нижних обкладок конденсаторов, диэлектрика конденсаторов, верхних обкладок конденсаторов (см. рис. 6.1, а), а также формируется через соответствующую съемную маску защитный диэлектрический слой ИМС (в данном случае выбрана моноокись кремния (SiO) с характеристиками, приведенными в таб. 1.5), маска и подложка защитного диэлектрического слоя - рис. 7.5 и рис. 7.6 Приложения соответственно.

Заключительные технологические операции

После получения необходимого рисунка следуют заключительные операции:

- Лужение контактных площадок;

- Контроль и подгонка резисторов;

- Установка и распайка компонентов;

- Установка платы в корпус и распайка выводов;

- Герметизация;

- Выходной контроль;

Заключение

Для современного этапа развития интегральной электроники характерны тенденции дальнейшего повышения рабочих частот и уменьшения времени переключения, увеличения надежности, снижения затрат на материалы и процесс изготовления ИС.

Снижение стоимости ИС требует разработки качественно новых принципов их изготовления с использованием процессов, в основе которых лежат близкие по характеру физико-химические явления, что, с одной стороны, является предпосылкой для последующей интеграции однородных технологических операций производственного цикла и, с другой стороны, открывает принципиальные возможности управления всеми операциями от ЭВМ. Необходимость качественных изменений в технологии и технического перевооружения отрасли диктуется также переходом к следующему этапу развития микроэлектроники -- функциональной электронике, в основе которой лежат оптические, магнитные, поверхностные и плазменные явления, фазовые переходы, электронно-фононные взаимодействия, эффекты накопления и переноса заряда и др.

Критерием «прогрессивности» технологического процесса наряду с улучшением параметров и характеристик самого изделия является высокая экономическая эффективность, определяемая рядом частных, взаимосвязанных критериев, обеспечивающих возможность построения комплектов полностью автоматизированного высокопроизводительного оборудования с длительным сроком эксплуатации.

Наиболее важными частными критериями являются:

- универсальность, т. е. возможность проведения всего (или подавляющего числа операций) производственного цикла с помощью одних и тех же технологических приемов;

- непрерывность, являющаяся предпосылкой для последующей интеграции (объединения) целого ряда технологических операций производственного цикла, сочетаемая с возможностью использования одновременной групповой обработки значительного количества изделий или полуфабрикатов;

- высокая скорость проведения всех основных операций технологического процесса или же возможность их интенсификации, например, в результате воздействия электрических и магнитных полей, лазерного излучения и др.;

- воспроизводимость параметров на каждой операции и высокий процент выхода, как полуфабрикатов, так и годных изделий;

- технологичность конструкции изделия или полуфабриката, соответствующая требованиям автоматизированного производства (возможности автоматизированной загрузки, базирования, монтажа, сборки и др.), что должно найти свое отражение в простоте формы, а также ограниченности допусков на габаритные и базовые размеры;

- формализация, т. е. возможность составления (на основе аналитических зависимостей параметров изделия от параметров технологического процесса) математического описания (алгоритма) каждой технологической операции и последующего управления всем технологическим процессом с помощью ЭВМ;

- адаптивность (жизненность) процесса, т. е. способность длительного существования в условиях непрерывного появления и развития новых конкурентоспособных процессов и возможность быстрого перестраивания оборудования под изготовление новых видов изделий без существенных капитальных затрат.

Большинству из перечисленных критериев удовлетворяют процессы, использующие электронные и ионные явления, происходящие в вакууме и разреженных газах, с помощью которых можно производить:

- ионное распыление металлов, сплавов, диэлектриков и полупроводников с целью получения пленок различной толщины и состава, межсоединений, емкостных структур, межслойной изоляции, межслойной разводки;

- ионное травление металлов, сплавов, полупроводников и диэлектриков с целью удаления отдельных локализованных участков при получении конфигурации ИС;

- плазменное анодирование с целью получения окисных пленок;

- полимеризацию органических пленок в местах, облученных электронами, с целью получения органических изоляционных слоев;

- очистку и полировку поверхности подложек;

- выращивание монокристаллов;

- испарение материалов (в том числе тугоплавких) и перекристаллизацию пленок;

- микрофрезерование пленок;

- микросварку и микропайку с целью подсоединения выводов ИС, а также герметизацию корпусов;

- бесконтактные методы контроля параметров ИС.

Общность физико-химических явлений, на которых базируются перечисленные процессы, показывает принципиальную возможность их последующей интеграции с целью создания новой технологической базы высокопроизводительного автоматизированного производства интегральных схем и приборов функциональной электроники.

Список литературы

1. «Микроэлектроника: Рабочая программа, задание на курсовую работу и методические указания к ее выполнению» - Ю.Г. Васильев, д-р техн. наук, проф., СПб. СЗТУ, 2004

2. «Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов» - Аваев Н.А., Наумов Ю.Е., Фролкин В.Т. - М. Радио и связь, 1991.

3. « Микроэлектроника» - Ефимов И. Е., Козырь И. Я., Москва, 1987 г.

4. « Технология и конструирование интегральных микросхем» - Березин А. С., 1983 г.

Размещено на Allbest.ru

...