UP-2-1-1 (Уч. пособие к лаб. раб. по ОКТРЭС)

Р а б о т а 1

РАЗРАБОТКА ТОПОЛОГИИ ГИБРИДНОЙ ТОНКОПЛЕНОЧНОЙ МИКРОСБОРКИ

Цель работы: - исследование зависимости параметров тонкопленочных элементов от их конструктивно-технологического варианта исполнения и разработка топологии гибридной тонкопленочной микросборки.

Краткие теоретические сведения

Наряду с универсальными микросхемами, предназначенными для широкого при­менения в различных видах РЭС, используются заказные (специализированные) микро­схемы. К таким микросхемам относятся, в частности, микросборки (МСБ).

Микросборка - микроэлектронное изделие, выполняющее оп­ределенную функцию и состоящее из элементов, компонентов и ИС (корпусных и бескорпусных), а также других электрорадиоэлементов (ЭРЭ), находящихся в различных сочетаниях. Это изделие разрабатывается и изготавливается конструкторами РЭС с целью ее миниатюризации. МСБ может иметь или не иметь собственный корпус. МСБ не сопровождается ТУ. Ее работоспособность в условиях эксплуатации обеспечивается защитой от внешних воз­действий в составе разрабатываемого РЭС.

По мере совершенствования технологии микроэлектроники, с ростом степени ин­теграции элементов на подложке функциональная сложность МСБ непрерывно возра­стает, а выполняемые ими функции приближаются к аппаратурным. В настоящее время имеется реальная возможность построения на одной МСБ малых вычислителей, микро­процессоров, запоминающих устройств, различных преобразователей.

Разработка и проектирование МСБ, как правило, должны быть связаны с проек­тированием системы в целом. Основная особенность разработки МСБ заключается в: одновременном решении комплекса задач, связанных со структурой системы; оптимиза­ции топологии с целью увеличения степени интеграции, уменьшении длины межэлемен­тных соединений, сокращения числа пересечений проводников; отработке базовой тех­нологии для производства набора МСБ. Последовательность полного цикла разра­ботки микросборки представлена на рис.1.1

Рис. 1.1

В техническом задании (ТЗ) на МСБ должен быть сформулирован комплекс тех­нических требований, включающих в себя:

1. требования к входным и выходным сигналам МСБ, параметрам и характеристикам элементов схемы (номинальные значения, допуск на номинал, стабильность во вре­мени и др.) их режимы питания;

2. требования к конструкции МСБ, типу корпуса, расположению выводов;

3. условия эксплуатации.

Анализ Э3 проводится с целью:

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

2. классификации элементов принципиальной схемы на элементы и компоненты микро­сборки;

3. формулировки общих требований к взаимному размещению элементов и компонен­тов МСБ;

4. 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.

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 и другие) причисляют к компонентам микросборки.

Повышению технологичности МСБ способствует применение в конструкции вместо тонкопленочных конденсаторов их на­весных аналогов. Такое решение может быть принято при следующих условиях:

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

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

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 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:

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

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

3. 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 [1].

После расчета электрической принципиальной схемы (Э3) МСБ по постоянному току производится выбор навесных компонентов.

Определенная часть корпусных интегральных микросхем широкого применения (операционные усилители, широкополосные усилители, отдельные типы цифровых ИС) имеют бескорпусные аналоги. Поэтому при разработке конструкции МСБ предпочти­тельным решением является замена корпусной ИС ее бескорпусным аналогом. Спра­вочные данные по бескорпусным ИС приведены в [2].

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

В случае затруднений с выбором бескорпусного аналога ИС предполагают, заказ разработчика МСБ на предприятии-изготовителе ИС микросхемы 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 Приложении 1.

Резисторы постоянные и переменные выбирают по номинальному значению и отклонению номинала, мощности и массогабаритным показателям. Спра­вочные данные по бескорпусным резисторам приведены в Приложении 2.

Конденсаторы постоянной и переменной емкости выбирают из группы керамических (КТ4-27,28,29, К10-9, К10-17в) и группы оксидно-полупроводниковых (К53-15, К53-16, К53-19, К53-22, К53-26 и др.) по номинальному значению и 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 Приложении 3.

Эксплуатационные параметры всех выбранных компонентов должны соответ­ствовать условиям эксплуатации МСБ.

Выбор конструктивно-технологического варианта изготовления МСБ проводится на ранних стадиях разработки МСБ. Здесь требуется учитывать комплекс конструк­тивно-технологических ограничений, электрические, физико-химические свойства используемых материалов, предполагаемую технологию изготовления платы МСБ.

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 [3].

Метод свободной маски используется при изготовлении МСБ с малой и средней степенью интеграции, если не требуется высокая плотность компоновки и не предъяв­ляются высокие требования к точности параметров пассивных элементов (±15%). При использовании биметаллических трафаретов без больших трудностей достигается аб­солютная погрешность размеров порядка ±20 мкм.

При применении свободных масок рекомендуется такая последовательность формирования слоев:

1. резисторов;

2. проводников и контактных площадок;

3. межслойной изоляции;

4. проводников;

5. нижних обкладок конденсаторов;

6. диэлектрика конденсаторов;

7. верхних обкладок конденсаторов;

8. защитного слоя.

В каждом конкретном случае возможно упрощение типовой последовательности. Например, при отсутствии пленочных конденсаторов исключаются операции 5,6,7; при отсутствии изолированных пересечений проводников - операции 3,4.

Метод контактной маски применяется в том случае, когда требуется достаточно высокая точность геометрических размеров пленочных элементов (абсолютная пог­решность порядка 2 мкм).

В качестве материала контактной маски используют фоторезист или легко ра­створимые в слабых травителях металлы (медь, алюминий, магний, никель и др.). Ме­таллические маски отличаются повышенной термостойкостью. Последовательность изготовления резистивного элемента методом контактной маски представлена на рис. 1.2.

Рис. 1.2.

а - напыление материала контактной маски, б - нанесение слоя фоторезиста, в - экспонирование, г - проявление, д - травление материала контактной маски через фоторезистивную маску, е - удаление слоя фоторезиста, ж - напыление резистивного материала, з - травление материала контактной маски; 1 - подложка, 2 - слой меди, 3 - слой фоторезиста, 4 - фотошаблон, 5, 6 - фоторезистивная и контактная маски, 7 - слой резистивного материала, 8 - резистивная полоска.

Метод двойной фотолитографии используется для получения высокой плотности компоновки , высокой точности резисторов. Метод высокопроизводительный, не тре­бует наличия вакуумных камер.

Метод фотолитографии основан на нанесении резистивных и проводящих пленок на всю поверхность подложки с последующим селективным травлением пленок, не за­щищенных фоторезистом.

Для формирования резисторов, проводников и контактных площадок применяются две фотолитографии (двойная фотолитография). Вариант последовательности изготовления резистивного и проводящего элементов плат гибридных МСБ методом двойной фотолитографии приведен на рис. 1.3.

Рис. 1.3.

а - напыление сплошных резистивного и проводящего слоев, б - нанесение первого слоя фоторезиста, в - экспонирование первого слоя фоторезиста, г - проявление первого слоя фоторезиста, д - травление проводящего слоя, е - травление резистивного слоя, ж - удаление слоя фоторезиста, з - нанесение второго слоя фоторезиста, и - экспонирование второго слоя фоторезиста, к - проявление второго слоя фоторезиста, л - травление проводящего слоя, м - удаление второго слоя фоторезиста, 1 - подложка, 2 , 3 - слои резистивного и проводящего материаа, 4, 7 - слои фоторезиста, 5, 8 - фотошаблоны, 6, 9 - фоторезистивные маски, 10 - резистор с контактными площадками.

Некоторые характеристики методов формирования пленочных элементов приве­дены в табл. 1.1