Классификация интегральных микросхем - Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника методичка
Расчет и проектирование резистивных элементов. Конструирование пленочных конденсаторов. Описание строения и функционального назначения индуктивных элементов. Характеристика навесных компонент ГИС. Методы термического испарения и катодного напыления.
посмотреть текст работы
скачать работу можно здесь
полная информация о работе
весь список подобных работ
Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Министерство образования Республики Таджикистан
В этой работе приведена классификация интегральных микросхем (ИМС). Даны общие методы расчёта конструирования топологии тонкоплёночных элементов (ТЭ) гибридных ИМС. Описаны методы получения тонких плёнок. Приведён пример расчёта ТЭ и разработки топологической структуры гибридной ИМС. В приложении приводятся варианты схем задания для курсовой работы.
Пособие предназначено для студентов радиотехнических специальностей при изучении курса "Микроэлектроника" и может быть использовано при курсовом и дипломном проектировании.
Полупроводниковые ИМС - это монолитные устройства, в которых все элементы изготовлены на единой полупроводниковой подложке и в едином технологическом цикле.
По полупроводниковой технологии в основном изготавливаются цифровые ИМС малой, средней и большой степени интеграции; микропроцессоры, микрокомпьютеры; а также низкочастотные аналоговые, аналого-цифровые устройства (операционные усилители, компараторы, аналоговые, цифроаналоговые преобразователи и т.д.).
Гибридная интегральная микросхема представляет собой миниатюрную печатную плату с напылёнными проводящими дорожками, к которым припаиваются, привариваются или приклеиваются дискретные бескорпусные элементы (транзисторы, диоды, чипы бескорпусных полупроводниковых ИМС), а также формируются на печатной плате пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности).
По способу изготовления пассивных элементов гибридные интегральные микросхемы (ГИС) подразделяются на:
В толстоплёночных ГИС для нанесения плёнок используется механический способ выдавливания паст через трафарет. Для получения различных пассивных элементов используются соответствующие пасты.
В тонкоплёночных ГИС для формирования пассивных элементов используются методы напыления, электрохимического осаждения.
При микроминиатюризации высокочастотных и СВЧ радиоэлектронных устройств наиболее часто используется тонкоплёночная гибридная технология.
В связи с этим данное методическое пособие посвящено вопросам проектирования тонкоплёночных ГИС.
2. РАСЧЁТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕЗИСТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Плёночный резистор конструктивно состоит из резистивной плёнки определённой конфигурации и контактных площадок. Наиболее распространённые конфигурации резисторов (рис .1):
С учётом требований автоматизации проектирования, конфигурации резисторов не должны содержать криволинейных контуров.
Плёночные резисторы должны обладать высокой стабильностью во времени и в интервале температур; низким уровнем шумов; малыми значениями паразитных параметров; требуемой мощностью рассеяния; минимальным значением занимаемой площади.
Сопротивление плёночного резистора прямоугольной формы (рис 2.) определяется по формуле:
где v - удельное объёмное сопротивление плёночного материала.
R k - сопротивление контактных областей.
На практике сопротивлением контактных областей можно пренебречь, т.к. оно значительно меньше сопротивление резистивных плёнок.
Кроме того, учитывая, что удельное сопротивление плёнки зависит от толщины, для расчётов целесообразно использовать не удельное объёмное сопротивление ( v ), а удельное сопротивление квадрата плёнки определённой толщины или удельное поверхностное сопротивление ( s )
Удельное поверхностное сопротивление квадрата плёнки измеряется в Омах на квадрат (/ ? ) и от размера квадрата не зависит.
Таким образом, учитывая удельное поверхностное сопротивление плёнки ( s ), сопротивление резистора можно определить по формуле:
На практике конфигурация резисторов определяется коэффициентом формы. Если К ф <10, то выбирается прямоугольная форма. Если К ф >10, то для резистора выбирается "меандр" или составной резистор.
Выбор конфигурации и расчёт размеров резистора производится по заданному номиналу (R) и удельному поверхностному сопротивлению ( s ) выбранного материала резистивной плёнки.
При проектировании разрабатываемой тонкоплёночной микросхемы выбирается один и тот же материал и одна и та же технология для изготовления всех резисторов микросхемы.
Затем вычисляется коэффициент формы:
Исходя из полученного значения K ф выбирается конфигурация резистора.
При расчёте резисторов прямоугольной формы задаётся ширина плёночного резистора, если К ф >1. Обычно минимальный размер ширины зависит от технологии и составляет порядка (0,1 ? 0,2)mm. Затем по формуле
вычисляется значение длины резистора.
Особый случай, когда К ф <1, при этом наоборот, задаётся минимально возможное значение длины тела резистора, согласно выбранной технологии изготовления. Минимальная длина резистора не должна быть меньше 0,5 mm. В этом случае при расчёте задаётся l min = 0,5 mm и рассчитывается значение ширины резистора по формуле:
Если К ф >10, то чаще всего выбирается конфигурация резистора типа "меандр" (рис 3). Расчёт резистора типа "меандр" ведётся из условия минимальной площади занимаемой резистором. Исходя из технологических возможностей задаётся минимальная ширина в min = 0,2 mm, затем определяют длину средней линии меандра (l ср ) по формуле:
Исходя из выбранной технологии изготовления задаётся расстояние между резистивными полосками (а).
При масочном методе а = 0,3 mm, при фотолитографии а = 0,1 mm. Обычно задаётся а = в.
Затем находится оптимальное число звеньев меандра по формуле:
если L = B (меандр вписывается в квадрат), то оптимальное число звеньев определяется по формуле:
Площадь, занимаемая меандром, определяется следующим образом:
Приведённый порядок расчёта вёлся при предположении известного удельного поверхностного сопротивления s .
На самом деле выбор плёнки достаточно проблемный.
На практике s выбирается с точки зрения получения минимальной площади микросхемы.
Вычисляется оптимальное значение удельного поверхностного сопротивления по формуле:
Затем по известным таблицам [4] выбирается материал с удельным поверхностным сопротивлением ( s ) ближайшим по значению вычисленному значению s опт .
Для резистивных плёнок чаще всего используют хром, нихром, кермет из смеси хрома и моноокиси кремния, тантал, нитрид тантал. Удельное поверхностное сопротивление и способ напыления резистивных материалов приводится в таблице 1.
Характеристики материалов плёночных резисторов
b) Воспроизводимость характеристик в процессе производства;
c) Совместимость технологии изготовления с технологиями изготовления других элементов микросхем.
Чаще всего используется конструкция, представленная на рис 4а; её особенностью является то, что контур верхней обкладки полностью вписывается в контур нижней. В такой конструкции неточность совмещения контуров обкладок не сказывается на величине ёмкости. Контур диэлектрика заходит за пределы обеих обкладок, что гарантирует надёжную изоляцию обкладок по периферии конденсатора. Такая конструкция характерна для конденсаторов повышенной ёмкости (сотни - тысячи pF). Для конденсаторов небольшой ёмкости (десятки pF) характерна конструкция, представленная на рис 4б. Ёмкость такого конденсатора зависит от смещения обкладок из-за неточности совмещения.
Ёмкость плёночного конденсатора определяется по формуле:
где S - площадь взаимного перекрытия обкладок;
С 0 - удельная ёмкость, измеряется в pF/cm 2
Удельная ёмкость определяется диэлектрической проницаемостью применяемых материалов ( r ) и толщиной плёнки диэлектрика (d).
Потери в обкладках конденсатора зависят от взаимного расположения выводов. При работе на высоких частотах предпочтительно двустороннее расположение выводов.
Рабочее напряжение (U р ) обеспечивается подбором материала диэлектрической плёнки с требуемым значением электрической прочности (пробивной напряжённости электрического поля, E пр ) и необходимой толщиной плёнки (d). Для большинства диэлектрических материалов пробивная напряжённость составляет:
Толщина диэлектрика выбирается исходя из условия обеспечения заданного рабочего напряжения, по формуле:
Где К З = 3?10 - коэффициент запаса, обеспечивающий надёжностные характеристики.
Добротность (Q) конденсатора зависит от конструкции и используемых материалов
где tg Д - тангенс угла диэлектрических потерь в диэлектрике, для большинства используемых материалов составляет 10 -2 ? 10 -3 .
tg ОВ = С(r 0 + r B ) - тангенс угла потерь в обкладках и выводах.
Сопротивление обкладок (r 0 ) определяется конструкцией конденсатора, проводимостью материала обкладок, их геометрией, а также картиной распределения линий тока в обкладках.
Добротность плёночных конденсаторов составляет:Q = 10 ? 100;
Характеристики конденсаторов определяются свойствами применяемых материалов.
К диэлектрикам предъявляются следующие требования:
· высокая диэлектрическая проницаемость;
Наиболее часто используемые диэлектрические материалы представлены в таблица 2.
Материалы обкладок конденсатора должны удовлетворять следующим требованиям:
· низкое электрическое сопротивление, особенно для ВЧ конденсаторов;
· иметь хорошую адгезию как к подложке, так и к ранее сформированным плёнкам;
· обладать высокой коррозионной стойкостью;
· температурный коэффициент расширения должен быть близок к температурным коэффициентам расширения подложки и диэлектрика.
На практике чаще всего для изготовления обкладок применяют алюминий А99 с подслоем ванадия.
Характеристики материалов плёночных конденсаторов
· совместимость технологии нанесения с технологией изготовления других элементов схем;
· возможность сварки или пайки выводов навесных элементов;
· обеспечение низкого переходного сопротивления контактов.
Самым распространённым материалом тонкоплёночных проводников и контактных площадок для ГИС повышенной надёжности является золото с подслоем хрома, нихрома или титана. Подслой обеспечивает высокую адгезию; а золото - нужную электропроводность, высокую коррозионную стойкость, возможность пайки или сварки.
В ГИС с менее жёсткими требованиями к надёжности в качестве проводников используют плёнки меди или алюминия с подслоем хрома, нихрома, ванадия или титана. Для предотвращения оксидирования меди и улучшения условий пайки или сварки, медные контактные площадки покрывают хромом, никелем, золотом или ванадием.
Толщина проводников составляет (0,5 - 1) m; толщина покрытия составляет десятые - сотые доли микрометра.
В качестве навесных компонентов ГИС применяют диоды, транзисторы, транзисторные матрицы, полупроводниковые ИМС; конденсаторы, дроссели, трансформаторы.
Выводы компонентов могут быть гибкие и жёсткие. Недостаток гибких выводов в том, что трудно автоматизировать процесс монтажа. Применение компонентов с шариковыми выводами затрудняет контроль сборки. Приборы с балочными выводами позволяют автоматизировать сборку, контролировать качество, увеличить плотность монтажа, но они значительно дороже.
Способ монтажа компонентов на плату должен обеспечить фиксацию положения компонентов и выводов; сохранение целостности, параметров и свойств, а также отвод теплоты, стойкость к вибрациям и ударам. Различают следующие способы крепления компонентов ГИС: пайка; сварка; приклеивание элемента на подложку.
Подложки ГИС являются диэлектрическим и механическим основанием для плёночных и навесных элементов и служат также теплоотводом.
Материал подложки должен обладать следующими свойствами и характеристиками:
1) высоким сопротивлением изоляции;
3) низкой диэлектрической проницаемостью, малым тангенсом угла потерь;
5) механической прочностью, обеспечивающей целостность подложки как в процессе изготовления, так и в процессе эксплуатации ГИС;
6) высокой химической инертностью к материалам наносимых плёнок;
7) стойкостью к воздействию нагрева в процессе нанесения плёнок;
8) способностью к механической обработке (полировке, резке)
9) температурный коэффициент линейного расширения должен быть близок к температурным коэффициентам линейного расширения наносимых плёнок во избежание отслаивания и растрескивания плёночных элементов.
В настоящее время в качестве подложки используют ситаллы для маломощных ГИС; для мощных ГИС применяют керамику "поликор", а для особо мощных ГИС - бериллиевую керамику, имеющую очень высокую теплопроводность. В тех случаях, когда необходима высокая механическая прочность и жёсткость конструкции, применяют металлические подложки: алюминиевые, покрытые слоем анодного оксида или эмалированные стальные.
Габаритные размеры подложек стандартизированы (таблица 3). Толщина подложек составляет (0,35 - 0,6)mm.
1) Получить исходную принципиальную схему. (выдаётся преподавателем)
2) Преобразовать исходную принципиальную схему в соответствии с требованиями конструирования ИМС.
3) Рассчитать топологическую структуру тонкоплёночных резисторов.
4) Рассчитать топологическую структуру тонкоплёночных конденсаторов.
5) Составить эскиз топологии гибридной тонкоплёночной ИМС (в масштабе 20:1 или 10:1) в соответствии с заданной исходной электрической принципиальной схемой.
На первом этапе работы необходимо преобразовать заданную принципиальную электрическую схему таким образом, чтобы все внешние выводы располагались на краю длинных сторон подложки и были исключены пересечения плёночных проводников.
Расчёт и выбор конфигурации плёночных резисторов необходимо начинать с расчёта оптимального значения удельного поверхностного сопротивления плёнки. Исходя из полученного значения выбрать материал с близким значением удельного поверхностного сопротивления из таблица 1. Далее вести расчёт и проектирование резисторов по рекомендациям, указанным в главе 2.
При выборе материала диэлектрика необходимо учитывать технологическое требование: технология нанесения тонкоплёночных резисторов и конденсаторов должна быть одинакова. Расчёт конденсаторов указан в главе 3. Материал диэлектрика выбирать из таблицы 2.
После расчёта и выбора конфигурации пассивных элементов, определяется общая площадь всех элементов схемы, учитывая также площади, занимаемые навесными элементами. Затем выбирается тип подложки из таблицы 3.
К составлению эскиза топологической схемы.
1) Эскиз топологической схемы выполняется на миллиметровой бумаге, согласно выбранному масштабу.
2) Пассивные элементы располагаются на расстоянии не менее 1 mm от края.
3) Выходные контактные площадки располагаются вдоль длинной стороны подложки на расстоянии не менее 1 mm от края.
4) При составлении эскиза необходимо учитывать следующие ограничения, накладываемые тонкоплёночной технологией: _ навесные элементы устанавливаются в специально отведённые места на расстоянии не менее 0,5 mm от плёночных элементов и не менее 0,6 mm от контактной площадки; расстояние между навесными элементами выбирается порядка 0,3 mm; длина проволочных выводов навесных элементов должна быть в пределах: (0,6 ? 5)mm;
- минимально допустимое расстояние между плёночными элементами (в том числе и контактными площадками) составляет 0,2 mm;
- минимальная длина резистора не должна быть меньше 0,5 mm;
- минимальная ширина плёночных резисторов составляет 0,2 mm (при масочном методе), 0,1 mm (при фотолитографии);
- для тонкоплёночных конденсаторов рекомендуется чтобы: нижняя обкладка выступала за край верхней не менее чем на 0,2 mm; диэлектрик выступал за край нижней обкладки не менее чем на 0,1 mm.
- минимально допустимые размеры контактных площадок для навесных элементов составляют 0,4х0,4 mm (для припайки элементов) и 0,2х0,25 mm (для приварки элементов).
1) В курсовой работе навесными элементами являются бескорпусные транзисторы и операционные усилители. Обозначения и структуры этих элементов показаны на рис. 8.
2) На схемах все размеры указаны в миллиметрах.
1) На рис. 9 приведена принципиальная схема сумматора на операционном усилителе. Учитывая ранее приведённую схему расположения выводов у бескорпусного ОУ (на рис. 8), заданная схема преобразуется таким образом, чтобы не было пересечений проводников, а все внешние выводы были на одной стороне подложки (рис. 10).
2) Проводится расчёт и выбирается конфигурация резисторов.
3) а) удельное поверхностное сопротивление резистивной плёнки определяется по формуле (13)
Из таб. 1 выбирается материал плёнки, удельное поверхностное сопротивление плёнки которого наиболее близко к полученному значению s опт . Выбранный материал - кермет К-50С с удельным поверхностным сопротивлением s = 10 000 / (кермет К-50С, термическое напыление). Проводится расчёт резисторов, выполненных из кермета К-50С.
Рассчитываются коэффициенты формы по формуле (4).
Исходя из полученных значений коэффициента формы, определяем форму резисторов. Так как К ф <10, то резисторы имеют прямоугольную форму.
Задаёмся минимальной шириной резистора: в min = 0,2 mm. Находим длину резистора по формуле (5)
l 1 = K ф1 ·b = 2 · 0,2 mm = 0,4 mm
так как l 1 Классификация интегральных микросхем методичка. Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника.
Дипломная Работа На Тему Разработка Web Сайта На Основе Html С Использованием Javascript
Значение Образования Ссср Эссе
Контрольная работа по теме Анализ реализации продукции
Реферат: Sickle Cell Essay Research Paper Sickle Cell
Направления Сочинения Егэ 2022
Электрооборудование Автомобилей Лабораторные Работы
Реферат по теме Хромосомы и пол
Дипломная Работа Стоматология Ортопедическая
Доклад: Анализы в кардиологии
Контрольная Работа На Тему Статистика Коммерческой Деятельности
Реферат: Ценностные ориентации и представления, их формирование
Реферат: Возникновение и развитие символической логики
Реферат по теме Начальный период Великой Отечественной Войны
Реферат: Паблик рилейшнз как средство обеспечения экономического благополучия. Скачать бесплатно и без регистрации
Сочинение По Личным Впечатлениям
Реферат: Природа и роль обстоятельств, смягчающих и отягчающих наказание 4 Глава Обстоятельства, смягчающие наказание 9
Реферат: Человекообразные обезьяны
Понятие, задачи и значение стадии исполнения приговора
Шпаргалки: Планирование на предприятии
Сочинение Про Любимого Учителя Русского Языка
Выращивание монокристалла с заданными свойствами - Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника курсовая работа
Управленческий учет денежных средств - Бухгалтерский учет и аудит курсовая работа
Форми і засоби ведення інформаційної боротьби - Государство и право курсовая работа