UP-2-1-1 (562360), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Таблица 1.1

Для тонкопленочных МСБ, содержащих резисторы, проводники и конденсаторы, используют совместно масочный и фотолитографический методы. Возможны при этом два варианта технологии. Первый вариант содержит следующую последовательность операций:

1) Напыление резисторов через маску;

2) Напыление проводящей пленки на резистивную;

3) Фотолитография проводящего слоя;

4) Поочередное напыление через маску нижних обкладок, диэлектрика и верхних обкладок конденсаторов;

5) Нанесение защитного слоя.

Второй вариант содержит операции:

1) напыление сплошных резистивной и проводящей пленок;

2) фотолитография и селективное стравливание проводящего слоя;

3) напыление через маску нижних обкладок, диэлектрика и верхних обкладок кон­денсаторов;

4) нанесение защитного слоя.

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.

Расчет конфигурации пленочных элементов.

Типовые конструкции тонкопленоч­ных резисторов изображены на рис. 1.5, 1.6.

Рис. 1.5

Конструкция резистора прямоугольной формы: а) структура резистора;

б) прямоугольная полоска с К>10; в) прямоугольная полоска с К<1.

Рис. 1.6

Конструкции резисторов сложной формы: а) составной; б) меандр; в) Z-образный.

Исходными для расчета пленочных элементов являются схемотехничес­кие дан­ные и технологические возможности изготовления. Цель расчета - выбор материалов и определение геометрических размеров и форм пленочных элементов, обеспечение полу­чения элементов с воспроизводимыми и стабильными параметрами. При этом необхо­димо придерживаться определенных принципов, позволяющих комплексно решать по­ставленную задачу по разработке топологии МСБ. Такими принципами являются:

1. минимизация площади, занимаемой элементами, компонентами и схемой в целом; минимизация числа пересечений межэлементных соединений;

2. равномерное расположение элементов и компонентов по площади подложки микросборки;

3. минимизация числа используемых материалов для реализации пленочных эле­ментов;

4. повышение степени интеграции элементов и технологических процессов.

Пленочные резисторы в структурном отношении представляют собой полоску ре­зистивной пленки, снабженную пленочными контактными площадками с низким сопротивлением. Для изготовления пленочных резисторов используют разные материалы: металлы, сплавы, соединения, керметы. Характерной особенностью пленок является зависимость удельного объемного сопротивления материала пленки _ от ее толщины d. Для каждого материала определена толщина, при которой _ материала является оптимальным. Поэ­тому в пленочной технологии для каждого материала отношение _/d=_кв - величина постоянная.

Условно _кв определяется как сопротивление квадрата резистивной пленки, не завися­щее от размеров квадрата и оценивается в Ом/кв.

При этом сопротивление пленочного резистора определяется как

R = 

где:

K = (l/b)

- коэффициент формы резистора (см.рис.1.6).

Для группы резисторов с различными номинальными значениями, изготовленной из одного материала, оптимальное значение квадрата резистивной пленки _кв.opt по критерию минимальной площади, занимаемой тонкопленочными резисторами, рассчи­тывается по формуле

(1)

где : R_i - номинальное значение сопротивления i-го резистора; n - число резисторов в схеме; - погрешность коэффициента формы.

Погрешность коэффициента формы зависит от погрешностей геометрических размеров: длины и ширины резистора:

Для масочных методов изготовления мкм, а для фотолитографии мкм.

Допустимая погрешность коэффициента формы равна:

γ _{к доп} = γ _R - γ_кв - γ _t - γ_τ - γ _Rk (2)

где: γ _R - производственная погрешность, определяемая относительно изменения сопро­тивления пленочного резистора, вызванного любыми дестабилизирую­щими факторами и обусловленная технологическими погрешностями производства;

- погрешность воспроизведения величины _кв резистивной пленки, зависящая от материала, способа и условий нанесения резистивного материала;

- температурная погрешность, - температурный коэффициент сопротивления материала пленки (см. табл. П.7);

- погрешность, обусловленная старением пленки, вызванная медленным из­менением структуры пленки во времени и ее окислением. Обычно для МСБ не пре­вышает 3% ;

- погрешность переходных сопротивлений контактов - зависит от техноло­гических условий напыления пленки, сопротивление квадрата резистивной пленки и ге­ометрических размеров контактного перехода. Обычно <2%.

Если подкоренное выражение в соотношении (2) отрицательно, то это означает, что изготовление резистора заданной точности из выбранного материала невозможно. В этом случае необходимо выбрать другой материал с мень­шим значением темпера­турного коэффициента сопротивления материала плен­ки , либо ужесточить требования к параметрам технологического процесса изготовления МСБ.

Конструкции тонкопленочных резисторов определяют по значению коэф­фици­ента формы К. При 1<К10 - резистор сложной формы (рис. 1.6), при 0,1<К<1 - резистор прямоугольной формы, у которого длина меньше ширины (рис. 5. в). Конструировать резистор с К<0.1 не рекомендуется, так как он будет иметь большие контактные площадки и занимать значительную площадь на подлож­ке.

Допустимая мощность рассеивания резистора P_доп без изменения элек­трофизи­ческих свойств определяется удельной мощностью рассеивания Р₀ ма­териала пленки и площадью резистора S:

P_доп = P₀S_R = P₀∙l∙b > P

где : P = I²R - мощность, рассеиваемая резистором в схеме.

Пленочный конденсатор представляет собой многослойную структуру, нанесен­ную на диэлектрическую подложку. Для ее получения на под­ложку последо­вательно наносят три слоя: проводящий , выполняющий роль нижней обкладки, слой диэлектрика и проводящий слой , выполняющий роль верхней обкладки конденсатора.

Конструкция конденсатора (рис. 1.7, а) должна обеспечить воспроизводимость пара­метров при минимальных габаритах в процессе изготовления и совместимость изготовления с другими элементами.

Рис. 1.7

Конструкция пленочных конденсаторов: а) структура пленочного конденсатора; б) конденсатор с площадью обкладок от 1 до 5 мм²; в) конденсатор с площадью обкладок более 5 мм²

Конструкция, в которой контур верхней обкладки вписывается в контур нижней обкладки (рис. 1.7, в), предназначена для реализации конденсаторов по­вышенной емко­сти (сотни - тысячи пикофарад). Погрешность совмещения контуров об­кладок не сказывается на воспроизведение емкости, а распространение диэлек­трика за контуры обеих обкладок гарантирует надежную их изоляцию при предельном несовмещении.

Для конденсаторов небольшой емкости (десятки пикофарад) целесобразна конструкция в виде пересекающихся проводников одинаковой ширины, разде­ленных слоем диэлек­трика (рис. 1.7, б). Емкость конденсатора данной конструк­ции нечувствительна к смеще­нию обкладок при неточности их совмещения.

Значение емкости пленочного конденсатора определяется как

где:  - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; S - площадь перекрытия диэлектрика обкладками, d - толщина диэлектрика.

Подобно материалу резистивной пленки слой диэлектрика с точки зрения техно­логичности, воспроизводимости, стабильности свойств характеризуется оптимальным отношением /d для каждого материала и способа его нанесения. Поэтому емкость кон­денсатора удобно выражать через удельную емкость:

C = C₀S

где : С₀ = 0.0885/d - постоянная величина для каждого материала (см. табл. П.7).

Как следует из приведенного выражения, для изготовления конденсато­ров с ма­лой занимаемой площадью необходимо применять материалы, харак­теризующееся максимальным значением С₀, т.е. материалы с максимальной диэлектрической проница­емостью и минимальной толщиной d. Однако мини­мизация толщины d даже в случае выполнения требований по технологичности и воспроизводимости ограничена значе­нием рабочего напряжения U_р на кон­денсаторе.

Электрическая прочность конденсатора определяется выражением:

где : E_пр - напряжение электрического пробоя диэлектрика (табл. П.7).

Минимальная толщина диэлектрика определяется при условии, что

где : - коэффициент запаса, равный 2-3 для большинства структур пленоч­ных конденсаторов.

Погрешность воспроизведения удельной емкости зависит от технологи­ческих факторов нанесения слоя диэлектрика, а погрешность воспроизведения площади S кроме технологических факторов зависит от конструкции конденса­тора и формы об­кладок.

Относительная погрешность активной площади конденсатора существен­но за­висит от формы верхней обкладки конденсатора. При

а₀ = b₀ =50 ... 100 мкм

_S=а₀ (1+К_c)/(К_cS)

где : К_C = а_0/b₀ - коэффициент формы обкладок.

Отсюда следует, что при выбранном из топологических соображений зна­чении K_c площадь верхней обкладки

Относительная погрешность изготовления емкости

γ _C = γ _C0 - γ_S - γ _Ct - γ_Cτ

Здесь : - относительная погрешность удельной емкости в условиях конкрет­ного производства (зависит от материала (табл. П. 7) и погрешности во­спроизведения толщины диэлектрика);

γ_Cτ - относительная погрешность, обусловленная старением пленки кон­денса­тора;

γ _Ct - относительная температурная погрешность, зависящая в основном от ТКС материала диэлектрика :

γ _Ct = α _C (t_max – 20°C)

Порядок расчета пленочных резисторов и конденсаторов представлен в таблице 1.2. При расчетах необходимо учесть, что за ширину b резистора, ши­рину b₀ и длину а₀ верхней обкладки конденсатора принимают ближайшее к b_расч, b_{0 расч}, а_{0 расч} большее значение, кратное шагу координатной сетки, при­нятому для чертежа топологии с уче­том масштаба. Для тонкопленочной техно­логии шаг координатной сетки обычно со­ставляет 1.0 или 0.5 мм. Например, если шаг координатной сети 1.0 мм, масштаб 20:1, то округление производят до величины, кратной  = 0.05 мм, а при масштабе 10:1 - до ве­личины, кратной  = 0.1 мм. Число звеньев n округляют до ближайшего целого.

Таблица 1.2

Составление коммутационной схемы, определение геометрических разме­ров и выбор типоразмера подложки.

Коммутационную схему МСБ получают преобразованием заданной ЭЗ, в кото­рой все дискретные компоненты, а также электрические соединения по входу - выходу заменяются соответствующими контактными площадками (рис. 1.8,а; б).

На рис. 1.8, а показана ЭЗ простейшего транзисторного усили­теля, а на рис. 1.8, б - его коммутационная схема, содержащая 11 контак­тных площадок.

Рис. 1.8.

Для выбора типоразмера подложки необходимо рассчитать суммарную площадь , занимаемую тонкопленочными резисторами S_R, конденсаторами S_С, а так же площадь S_H, приходящуюся на все навесные компоненты по данным , полученным при выполне­нии расчетов.

Рассчитывается общая площадь S_К всех контактных площадок к кото­рым пай­кой или сваркой присоединяются выводы компонентов и проволочные перемычки. Внешние контактные площадки выполняются размером 1x1 мм и более. Размеры внут­ренних контактных площадок определяются видом мон­тажного соединения (пайка, сварка, приклеивание), типом применяемого мон­тажного инструмента, видом вывода компонента (металлизированная поверх­ность, гибкий и жесткий вывод и т. д.). При сварке гибких выводов средние размеры площадки 0,2x0,3 мм, при пайке - 0,3x0,4 мм. Рекомендации по установке компонентов даны в [3], [4].

Расчетная величина площади подложки МСБ определяется по формуле S_МСБ = 1,5…2,5(S_R+S_C+S_H+S_K), после чего из табл. 1.3 подбирается типо­раз­мер, имеющий площадь, примерно равную полученной величине.

В качестве материалов подложек МСБ, работающих на низких и высоких часто­тах, используют ситалл СТ50-1, СТ32-1. Габаритные размеры подло­жек стандартизованы (табл. 1.3). Подложки типоразмеров 3-10 используются в стандартных корпусах, остальные - в бескорпусных МСБ. Толщина подложек 0,5^+0,1 мм. Чистота об­работки по контуру . Неперпендикулярность сторон подложки после резки дол­жна быть не более 0,1 мм.

Таблица 1.3

Разработка топологии МСБ.

Начальный этап разработки топологии со­стоит в изготовлении эскизных чертежей, выполненных на миллиметровой бу­маге в масштабе 10:1 или 20:1. Масштаб выбирается исходя из удобства, на­глядности и точности. Эс­кизный чертеж варианта топологии МСБ выполняют совмещением для всех слоев. Форма всех тон­копле­ночных элементов должна иметь прямоугольные очертания. Вершины всех элементов (изломы линий очертаний элементов) должны располагаться в узлах координатной сетки поля чертежа. Шаг координатной сетки 0.1 мм, допускается применение шага 0.05 и 0.01 мм. При оформлении топологического чертежа вычерчивание линий координат­ной сетки необязательно, однако на чертеже должны быть указаны в виде цифр (0, 1, 2,... или 0, 5, 10,...) номера ли­ний сетки, отсчитываемые от левого нижнего угла подложки. Конструктивные и технологические ограничения при проектировании тонкоплеочных элементов МСБ приведены в Приложении 5 (рис. П5-1, 2, 3).

Навесные компоненты изображают с соблюдением порядка расположе­ния выво­дов. Грани навесных компонентов располагаются вдоль осей коорди­натной сетки. Ес­ли выводы компонентов гибкие, то на чертеже их изображают согласно рис. П5-4 (а, в) прило­жения 5. Если использовать навесные компоненты с же­сткими выводами, то в чертеже топологии выполняют контактные площадки, которые соответствуют их цоколевке (рис. П5-4 б) приложения 5.

Помимо указаний и ограничений приведенных в приложении П.5, при конструировании МСБ необходимо выполнять общие правила и огра­ничения:

1. Каждая плата МСБ должна иметь ключ, которым является нижняя левая контак­тная площадка с вырезом по большой стороне платы или специаль­ный знак в форме треугольника, прямоугольника;

2. В одной МСБ следует применять навесные компоненты с одинаковыми ди­аметрами и материалом гибких выводов. Однотипные по расположению вы­водов компонен­ты предпочтительнее ориентировать одинаково;

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

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

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

6. Не допускаются резкие изгибы и натяжение проволочных проводников. Не реко­мендуется делать перегиб проволочного вывода через навесной ком­понент. Про­волочные проводники и гибкие выводы не должны проходить над пленочными конденсаторами;

7. Не допускается оставлять не закрепленными участки гибких проводов дли­ной бо­лее 3 мм. Необходимо предусмотреть закрепление их точками клея холодного от­вердения (например, эпоксидного клея ЭД-20, ЭД-16).

При создании чертежа топологии необходимо обращать внимание на использо­вание наиболее простых форм элементов, равномерность размещения элементов на плате, обеспечении удобств при выполнении сборочных операций, увеличение размеров контактных площадок, расширение допусков на совмеще­ние слоев.

Оценка качества топологии МСБ.

Разработанная топология должна:

1. соответствовать ЭЗ;

2. быть составлена таким образом, чтобы для изготовления МСБ требовалась наибо­лее простая и дешевая технология;

3. иметь наименьшую длину соединительных проводников и минимально возможное число их пересечений.

Оформление конструкторской документации.

Оформление конструкторской документации - завершающий этап проек­тирова­ние МСБ. В основной комплект конструкторской документации входят:

1. Спецификация МСБ;

2. Схема электрическая принципиальная;

3. Сборочный чертеж МСБ;

4. Топологический чертеж платы;

5. Топологические чертежи отдельных слоев пассивной части;

6. Таблица координат конфигурации элементов каждого слоя;

7. Технические требования;

8. Ведомость покупных изделий.

В лабораторной работе пакет конструкторской документации ограничивает­ся:

1. схемой электрической принципиальной;

2. топологическим чертежом платы;

3. техническими требованиями.

Топологический чертеж платы является оригиналом топологии и сопро­вождает­ся таблицей, содержащей информацию о последовательности нанесения слоев, их ус­ловном обозначении (штриховка) на сборочном чертеже и основных электрофизических параметрах каждого слоя.

Последовательность формирования слоев отображается на чертеже топо­логии МСБ в виде таблицы (табл. 1.4). Пример схематизи­рованного (без соблюдения масштаба) топологического чертежа усилителя приведен на рис. 1.8, в. Табл. 1.4 является примером оформления таблицы слоев топологии (рис. 1.8).

Для технологи­ческой защиты нанесенных на подложку слоев применяют двуокись кремния (ГОСТ 6880-73), фоторезист негативный (ФН-11 ТУ 6-14-631-71), полиамидные лаки. Указанные материалы используются также для меж­слойной изоляции.

Таблица 1.4

Внешние контактные площадки должны располагаться по краям под­ложки в один ряд напротив соответствующих контактных площадок печатной платы или выво­дов корпуса. Допускается расположение тонкопленочных про­водников, защищенных слоем диэлектрика, между краем подложки и внешней контактной площадкой.

Правила оформ­ления топологического чертежа и содержание технических требований приве­дены в [4]. Технические требования тополо­гического чертежа содержат следу­ющие сведения:

1. специальные требования к изготовлению подложки, указания о материалах - заме­нителях;

2. требования к выполнению параметров элементов, в том числе ссылка на соответ­ствующие таблицы координат, указание точности выполнения раз­меров элементов и т.п.;

3. данные о площади нанесения драгоценных металлов;

4. требования к внешнему виду;

5. характеристики и данные по изготовлению отдельных слоев или элементов, кото­рые должны быть сведены в таблицу;

6. данные и указания по проверке параметров элементов;

7. указание о том, что обозначение контактных площадок и элементов является ус­ловным.

Пример оформления топологического чертежа МСБ приведен в Приложении 6.

Содержание работы

1. Ознакомление с общими сведениями, рекомендуемой литературой и поряд­ком вы­полнения работы.

2. Подбор необходимого справочного материала для расчетов по заданным исход­ным данным (см. табл. П.7).

3. Расчет по постоянному току электрических режимов цепей и схемных эле­ментов (см. табл. П.1).

4. Расчет топологических размеров пленочных резисторов. Построение и про­ведение анализа графиков изменения площади тонкопленочных резисторов в зависимости от производственной погрешности, от сопротивления квад­рата резистивной плен­ки.

5. Расчет топологических размеров пленочных конденсаторов. Построение и прове­дение анализа графиков зависимости площади конденсаторов от величины удельной емкости.

6. Разработка эскиза топологии тонкопленочной гибридной МСБ (см. табл. П.6).

Порядок выполнения работы

1. Получить у преподавателя техническое задание на разработку тополо­гии МСБ в виде варианта Э3, значений на­пряжения источников питания для данного варианта Э3, мак­симальной рабочей температуры элементов, времени на­работки на отказ, относитель­ной погрешности изготовления резисторов и кон­денсаторов, метода изготовления.

2. Заполнить таблицы исходных данных в протоколе отчета для расчета элементов МСБ.

3. Рассчитать на персональном компьютере по постоянному току электрические режимы цепей и схемных элементов для определения максимально возможных токов, проте­кающих через тран­зисторы (I_КЭi), мощностей, рассеиваемых резисторами (P_i), напряжение на обкладках конденсаторов (U_Pi). Занести полученные данные и фрагменты схемы в протокол отчета..

4. Ввести исходные данные для расчета пленочных резисторов. Записать размеры и зарисовать конфигурацию пленочных резисторов. Построить гра­фики изменения площади тонкопленочных резисторов в зависимости от точно­сти их геометрии и про­изводственной погрешности.

5. Исследовать изменение площади тонкопленочных резисторов для рас­сматри­ваемой схемы электрической принципиальной в зависимости от сопро­тивления квадра­та пленки _кв. Для этого необходимо рассчитать площадь ре­зисторов для пяти значе­ний _кв. Значение _кв выбираются вблизи _{кв опт} из табл. П. 4.

6. Ввести исходные данные для расчета пленочных конденсато­ров. Записать размеры и зарисовать форму пленочных конденсаторов.

7. Построить графики зависимости площади пленочных конденсаторов от эк­сплуатационной погрешности, используя диаграмму, выводимую на экран вычисли­тельного комплекса. Отношение площадей S_n/S_n-1=2, где n=1,3.

8. Построить графики зависимости относительной площади конденсато­ров от коэффициента формы К_с.

9. Выбрать типы транзисторов по таблице П.6 с учетом максимально до­пусти­мого тока I_кэ. Определить их установочные размеры.

10. Рассчитать площадь подложки разрабатываемой микросборки. Из табл. 1.3 выбрать типоразмер подложки.

11. Изготовить аппликации из миллиметровой бумаги и рационально разместить ручным способом элементы и компоненты МСБ на подложке.

12. Составить эскиз топологии гибридной МСБ.

13. Оформить отчет по работе.

Содержание отчета

1. Название и цель работы.

2. Техническое задание.

3. Результаты расчета по постоянному току электрических режимов цепей и схемных элементов. Типы, габаритные и установочные размеры полупро­водниковых при­боров, используемых в разрабатываемой МСБ.

4. Таблица исходных данных для расчета тонкопленочных резисторов и кон­денсато­ров, полупроводниковых приборов.

5. Таблица топологических размеров тонкопленочных резисторов и конден­саторов, эскизы полупроводниковых приборов.

6. Графики зависимостей площади тонкопленочных резисторов от произ­водственной погрешности, площади тонкопленочных резисторов от сопротивления квадрата пленки, площади конденсаторов от эксплуатаци­онной погрешности; от­носительной площади конденсатора от коэффици­ента формы К_c и их анализ.

7. Расчет площади подложки и выбор ее типоразмера.

8. Эскиз топологии гибридной тонкопленочной МСБ. Таблица, содержащая инфор­мацию о последовательности нанесения слоев и их условном обозна­чении.

9. Оценка качества разработанной топологии МСБ.

Контрольные вопросы

1. Назовите этапы проектирования гибридной МСБ и основные задачи решаемые на этих этапах.

2. Опишите методы получения конфигурации тонкопленочных элементов.

3. Каковы особенности расчета тонкопленочных резисторов МСБ.

4. Каковы особенности расчета тонкопленочных конденсаторов МСБ.

5. Приведите конструктивно - технологические требования и ограничения на топологию гиб­ридных тонкопленочных МСБ.

6. Назовите основные критерии выбора материалов коммутационных проводников и контактных площадок для гибридных МСБ.

Литература

1. Фомин А.В., Умрихин О.Н. Анализ электрической нагрузки элементов при оценке надежности интегральных радиоэлектронных устройств: Учеб. по­собие. - М.: Изд-во МАИ, 1994.

2. Конструирование РЭС: Учебное пособие по курсовому и дипломному про­ектиро­ванию/ авт.-сост.: В. Ф. Борисов, А. А. Мухин, А. С. Назаров и др. -М.: МАИ, 1991.

3. Конструирование и технология микросхем. Курсовое проектирование./ Под ред. Л. А. Коледова.- М.: Высшая школа, 1984.

4. Разработка и оформление конструкторской документации РЭА./ Под ред. Э. Т. Романычевой.- М.: Радио и связь, 1989.

4

Характеристики

Список файлов книги