IZ1-2-Н (ОКТРЭС Учебное пособие для курсового проектирования), страница 2

Исходными данными для разработки конструкции МСБ служат схема электрическая принципиальная и требования технического задания.

Процесс разработки конструкции МСБ можно представить решением следующих задач:

- анализ электрической принципиальной схемы;

- выбор конструктивно-технологического варианта изготовления МСБ;

- расчет геометрических размеров тонкопленочных элементов;

- определение геометрических размеров подложки (платы) и разработка топологии МСБ;

- выбор типоразмера корпуса для корпусирования МСБ;

- выполнение оценочных расчетов показателей качества МСБ;

- оформление конструкторской документации.

2.3. Анализ электрической принципиальной схемы микросборки

Анализ принципиальной схемы проводится с целью:

- изучения (или уточнения) принципа работы и функций отдельных каскадов и цепей;

- классификации элементов принципиальной схемы на элементы и компоненты микросборки;

- формулировки общих требований к взаимному размещению элементов и компонентов МСБ;

- оценочного расчета по постоянному току электрических режимов элементов и компонентов, выбор компонентов.

При изучении принципа работы схемы следует установить характер преобразования сигналов (аналоговый, цифровой или аналогово-цифровой) и их частотные или временные параметры. Эти особенности определяют ограничения на размещение элементов и компонентов на подложке и конструкцию проводников питания и земли.

В соответствии с принятой терминологией к элементам микросборки относят все элементы электрической принципиальной схемы, которые могут быть выполнены в интегральном (тонкопленочном) варианте: соединительные проводники, контактные площадки, резисторы с номиналами от 10...50 Ом до 0,5...1,0 мОм, конденсаторы емкостью от 10...50 пФ до 0,01 мкФ и др. Остальные элементы принципиальной схемы (полупроводниковые диоды, транзисторы, интегральные микросхемы, конденсаторы емкостью более 0,01 мкФ и другие) причисляют к компонентам микросборки.

Следует иметь в виду, что применение двух и более резистивных материалов снижает технологичность МСБ. Если диапазон сопротивлений резисторов не позволяет их выполнить из одного материала, то должен быть рассмотрен вариант изготовления части резисторов на отдельных резистивных подложках (матрицах). После скрайбирования подложек получают набор тонкопленочных резисторов - компонентов, которые вместе с другими компонентами устанавливаются на подложку при ее сборке.

Повышению технологичности МСБ способствует применение в конструкции навесных конденсаторов вместо тонкопленочных. Такое решение может быть принято по согласованию с руководителем проекта при следующих условиях:

- большая часть емкостей конденсаторов лежит за пределами их реализуемости в тонкопленочном варианте;

- площадь, занимаемая тонкопленочными конденсаторами, превышает суммарную установочную площадь конденсаторов навесных.

Требования к взаимному расположению элементов и компонентов МСБ вытекают из выявленного вида преобразования сигналов, их частотных или временных параметров. При разработке МСБ с цифровым преобразованием сигналов основным критерием размещения служит минимальная длина проводников, возможность выполнения проводников в одном слое с минимальным числом пересечений. Расположение внешних контактных площадок выбирают преимущественно по конструктивным соображениям.

В случае конструирования аналоговой МСБ, выполняющей функции усиления сигналов, следует стремиться к последовательному расположению функциональных частей схемы от входа к выходу, размещению входных и выходных контактных площадок на противоположных сторонах подложки.

Проводники питания и земли желательно делать большей площади. Между сигнальными проводниками, критичными к электромагнитным наводкам, полезно для уменьшения связи прокладывать проводники земли. С ростом частоты или с уменьшением длительности сигнала уровни наводок на элементах и компонентах МСБ существенно возрастают. Поэтому в высокочастотных МСБ расстояния между сигнальными проводниками должны быть по возможности увеличены, при прокладке проводников следует избегать их параллельности.

Расчет электрических режимов элементов и компонентов МСБ по постоянному току проводится для определения мощности, рассеиваемой резисторами, и напряжений, прилагаемых к обкладкам конденсаторов. Эти данные используются при расчете геометрических размеров элементов и выборе компонентов МСБ.

Возможны несколько подходов к решению задачи:

- расчет по упрощенным эквивалентным схемам, в которых транзисторы условно считаются насыщенными или находятся в режиме отсечки;

- расчет по эквивалентным схемам, где транзисторы заменены источниками тока, равного номинальному току коллектора;

- расчет с использованием справочных данных о внешних электрических параметрах интегральных микросхем (уровни логического нуля и единицы, значения входных токов, выходных напряжений, входных и выходных сопротивлений, коэффициента передачи, токов, потребляемых от источника питания и др.).

При составлении упрощенных эквивалентных схем выбор режима транзистора производится на основе принципа наихудшего случая: токи в цепях схемы должны быть максимальными.

Коллекторные токи транзисторов, взятые из справочных данных, должны соответствовать режиму измерения параметров транзистора.

Перечисленные подходы к расчету электрических режимов элементов принципиальных схем подробно изложены и проиллюстрированы примерами в [21].

После расчета электрической принципиальной схемы МСБ по постоянному току производится выбор навесных компонентов. За исключением случаев, когда принципиальная МСБ построена на бескорпусных радиоэлементах, эта задача для большинства проектов является типовой.

Определенная часть корпусных интегральных микросхем широкого применения (операционные усилители, широкополосные усилители, отдельные типы цифровых интегральных схем) имеют бескорпусные аналоги. Поэтому при разработке конструкции МСБ предпочтительным решением является замена корпусной интегральной схемы (ИС) ее бескорпусным аналогом. Справочные данные по бескорпусным ИС приведены в прил.3 и [3].

Корпусная ИС может быть заменена любой другой бескорпусной микросхемой, функциональные возможности которой позволяют выполнить предусмотренные схемой преобразования сигналов.

В случае затруднений с выбором бескорпусной ИС допускается предположение, что по заказу разработчика МСБ предприятие - изготовитель ИС поставляет микросхему данного типа в бескорпусном исполнении. При этом конструктивные параметры ИС принимаются типовыми. Расположение выводов бескорпусной ИС соответствует корпусной.

Полупроводниковые диоды и транзисторы заменяются бескорпусными. Выбор бескорпусных диодов и транзисторов производится по функциональным параметрам, которые должны соответствовать параметрам корпусных приборов. Информация по бескорпусным полупроводниковым приборам приведена в [22].

Справочные данные по бескорпусным резисторам приведены в прил.4.

Конденсаторы постоянной емкости выбирают из группы керамических (К10-9, К10-17в) и группы оксидно-полупроводниковых (К53-15, К53-16, К53-19, К53-22, К53-26 и др.) по номинальному значению, отклонению емкости, напряжению, приложенному к обкладкам и массогабаритным показателям. Для керамических конденсаторов необходимо учитывать группу температурного коэффициента емкости, характеризующего изменение емкости конденсатора в диапазоне рабочих температур. Справочные данные по бескорпусным конденсаторам приведены в прил.5.

Эксплуатационные параметры всех выбранных компонентов должны соответствовать условиям эксплуатации МСБ.

В пояснительной записке должны быть представлены в таблице все выбранные типономиналы компонентов с указанием их установочных (габаритных) размеров, объема, массы, предельных условий эксплуатации, интенсивности отказов и других параметров, необходимых для проведения расчетов показателей качества МСБ. В записке рекомендуется привести эскизы установки навесных компонентов на плату МСБ.

2.4. Выбор конструктивно-технологического варианта

изготовления МСБ

На ранних стадиях разработки МСБ требуется учитывать комплекс конструктивно-технологических ограничений, электрические, физико-химические свойства используемых материалов, предполагаемую технологию изготовления платы МСБ. Тем самым в значительной степени объединяются функции разработчика - конструктора и технолога микроэлектронного изделия.

Тонкие пленки плат МСБ общего назначения получают методами термического испарения исходных материалов в вакууме или ионно-плазменного распыления.

Основное внимание следует уделить выбору метода получения конфигурации тонкопленочных элементов, обусловливающего ряд конструкторско-технологических ограничений на разработку платы МСБ. Краткая характеристика методов свободной маски, контактной маски, фотолитографии с последующим селективным травлением одного или двух рабочих слоев дана в [6].

Для получения плат МСБ, содержащих проводники, индуктивности, резисторы и конденсаторы, применяют совмещенный метод. При этом резисторы и первый максимально сложный по топологии слой проводников формируют фотолитографией, а пленочные конденсаторы - методом свободной маски.

Двойная фотолитография с последующим селективным химическим травлением рабочих слоев позволяет лучше использовать площадь подложки, так как ширина проводника в месте перекрытия равна ширине резистора (совмещение слоев обеспечивается автоматически). Однако этот метод требует учета технологической совместимости материалов пленок с точки зрения избирательного удаления отдельных слоев.

В пояснительной записке должна быть дана краткая характеристика методов получения тонкопленочных слоев и формирования конфигурации элементов платы МСБ.

2.5. Разработка топологии плат МСБ

Разработка топологии плат микросборок состоит в определении конфигурации и размеров тонкопленочных элементов и их рациональном размещения на подложке. Разработка топологии производится в следующем порядке: расчет тонкопленочных элементов (резисторов и конденсаторов); составление коммутационной схемы МСБ; выбор типоразмера подложки; оформление топологического чертежа.

2.5.1. Расчет тонкопленочных резисторов

Основными параметрами тонкопленочных резисторов служат: номинальное сопротивление резистора R; относительная погрешность сопротивления _R = R/R; мощность, рассеиваемая резистором, P; геометрические размеры резистора: ширина b и длина l; коэффициент формы резистора k = b / l.

Относительная погрешность сопротивления резистора определяется следующими составляющими:

_R = _k + _{ кв} + _Rt + _{R } + _Rк (2.2)

где _k = b/b + l/l - относительная погрешность коэффициента формы; b и l - абсолютные погрешности выполнения размеров резистора; _{ кв} - относительная погрешность сопротивления квадрата резистивной пленки (_{ кв}  5%); _Rt = _Rt, _R - температурный коэффициент резистивного материала, t = max{t_min - 20^oС; t_max - 20^oС} - приращение температуры резистора в диапазоне рабочих температур МСБ; _R = K_относительная погрешность резистора, обусловленная старением, K_ - коэффициент старения, время работы резистора (_R 3%); _Rк - относительная погрешность сопротивления контактных переходов резистора (_Rк = 1...2%).

Исходными данными для расчета тонкопленочных резисторов являются: сопротивление резистора R; относительная погрешность сопротивления _R; мощность, рассеиваемая резистором, P; диапазон рабочих температур t_min...t_max.

Расчет резисторов начинают с выбора резистивного материала. Для этого определяют оптимальное значение сопротивления квадрата резистивной пленки, минимизирующее площадь резисторов, , где R_i - номинальное значение сопротивления i-го резистора. По табл.2.1, в которой приведены параметры резистивных материалов, выбирают материал с сопротивлением квадрата резистивной пленки  и тем самым определяют другие параметры материала: удельную мощность рассеивания P₀, температурный коэффициент сопротивления (ТКС) _R.

С помощью формулы (2.2) находят допустимую относительную погрешность коэффициента формы