Конструирование и проектирование интегральных микросхем

СОДЕРЖАНИЕ 
 
 

 

    ВВЕДЕНИЕ 

     Микроэлектроника  – это область электроники, охватывающая проблемы исследования, конструирования, изготовления и применения электронных  изделий, представляющих отдельные устройства с высокой степенью миниатюризации.

     Создание  микроэлектронной аппаратуры явилось  результатом потребности развития промышленного выпуска изделий  микроэлектронной техники на основе необходимости резкого увеличения масштабов их производства, уменьшения массы, занимаемого объема, повышения эксплуатационной надежности.

     Современные требования кардинального повышения  производительности труда и ускорения научно-технического прогресса являются главными рычагами в повышении производительности производства, и требует широкого применения компьютеров и роботов, внедрения гибкой технологии, позволяющей быстро и эффективно перестраивать производство на изготовление новых изделий, соответствующих современному уровню развития науки и техники.

     Поставленные  задачи требуют создания микроэлектронной элементной базы для реализации тех или иных функций устройств управления производством. Для этого необходимо обладать теоретическими и практическими знаниями в области конструирования и технологии микросхем. 

    1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 

    1.1 ПРИНЦИП РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЯ 

     В курсовом проекте разрабатывается  микросхема балансного усилителя. Схема  электрическая принципиальная и типовая схема включения микросхемы приведены на рисунках 1. 

 

      Рисунок 1 – Усилитель промежуточной частоты 

     Приведенная на рис. 1 схема представляет собой  балансный усилитель на двух транзисторах VT1 и VT2, включенных по схеме с общим эмиттером. Резисторы эмиттерных цепей R1 и R4 обеспечивают отрицательную обратную связь по току и выполняющие функцию стабилизации рабочей точки и выпрямления линейной характеристики. Резисторы R2 и R3 вместе с дополнительными резисторами, согласно типовой схеме включения (см. рисунок 2), образуют базовые делители для создания необходимых потенциалов на базах транзисторов. Резисторы R5 и R6 ограничивают ток в коллекторных цепях транзисторов. Конденсаторы С1 и C2 выполняют роль частотной коррекции.

 

    1.2 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ  НА МИКРОСХЕМУ

 

     Комплекс  основных требований к микросхему определяют ее выходные параметры, условия эксплуатации и хранения. Согласно ГОСТ 18725 - 73, ОТУ содержат требования к электрическим параметрам, конструкции, устойчивости к механическим и климатическим воздействиям, надежности, долговечности.

     Требования к конструкции. Габаритные и присоединительные размеры, внешний вид и масса ИМС должны соответствовать требованиям, установленным в технической документации на ИМС конкретных типов. Выводы ИМС должны выдерживать растягивающие усилия, и изгибы, легко паяться и свариваться.

     Требования  к устойчивости при  механических повреждениях. ИМС должны сохранять параметры в пределах норм, установленных технической документацией в соответствии с группой жесткости согласно ГОСТ 16962 -71. Разрабатываемое устройство будет использоваться в аппаратуре широкого применения, поэтому выбираем следующие условия: Тmax=+55 оС, Тmin= -25 оС; относительная влажность 98 % при температуре +35 оС.

     Требования  к надежности. Минимальная наработка ИМС в указанных режимах и условиях должна быть не менее 10000 ч. Интенсивность отказов ИМС в режимах и условиях работы, не должна превышать 3,7∙10-5 (ч-1) для микросхем первой и второй степени интеграции.

     Маркировка. На каждом корпусе ИМС должны быть  отчетливо нанесены: товарный знак предприятия - изготовителя, условное обозначение типа ИМС, месяц и две последние цифры года изготовления, обозначение первого вывода, если он не указан другими способами. Маркировка должна оставаться прочной и разборчивой при эксплуатации ИМС в режимах и условиях, оговоренными в ТУ.

     Упаковка. Все ИМС должны быть упакованы в потребительскую тару,  исключающую возможность их повреждения и деформацию выводов, и уложенных в картонные коробки, куда вкладывают паспорт. 

    1.3 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ  ИМС 

     Одним из важнейших факторов при выборе конструктивно-технологического варианта изготовления микросхемы является соотношение количества активных и пассивных элементов. В нашем случае имеем два транзистора, два конденсатора и шесть резисторов. Так как число пассивных элементов больше чем активных то, исходя из этого, выберем гибридную технологию. Рассмотрим ее преимущества и недостатки.

     Наличие большого числа контактных узлов, сварных  соединений  несколько снижают  надежность гибридных микросхем, но использование  при их  производстве пленочных, а также активных и пассивных навесных компонентов, определяет широкий диапазон применения гибридных микросхем, оправдывая целесообразность и перспективность их производства как схем частого применения. В данном случае необходимо также обеспечить достаточно высокую точность пассивных элементов, что при полупроводниковой технологии сделать сложнее.

     Если  рассматривать гибридный вариант  изготовления микросхем с точки  зрения стоимости оборудования, то цена оборудования, необходимого для производства тонкоплёночной микросхемы определённого типа, гораздо меньше, чем для производства той же микросхемы скажем полупроводниковым способом. Поэтому то минимальное количество схем, при котором  производство становиться рентабельным, также оказывается меньше  при гибридной тонкоплёночной технологии, чем при полупроводниковой.

     Итак, гибридные микросхемы имеют ряд  важных в нашем случае преимуществ  над полупроводниковыми:

  • возможность использования широкого диапазона номиналов пассивных элементов, меньше пределы допусков на номиналы и лучшие электрические характеристики;
  • широкая номенклатура применяемых навесных компонентов разнообразных по конструкции и характеристикам;
  • более простая технология и комплект оборудования для производства гибридных микросхем позволяют значительно сократить сроки подготовки производства;
  • более легкая и быстрая подготовка персонала;
  • меньшая стоимость при серийном и мелкосерийном производстве;

     Несмотря  на то, что толстоплёночные микросхемы так же имеют некоторые преимущества перед тонкоплёночными (например, большая механическая прочность, более высокая коррозионная и тепловая устойчивость, большая перегрузочная способность, а так же меньшие паразитные ёмкости соединений и взаимное влияние элементов) – для данной схемы они не так существенны, как точность и стабильность. Более рационально для разрабатываемой микросхемы будет использование тонкопленочной гибридной технологии, которая по сравнению с толстопленочной имеет следующие преимущества:

  • возможность получения без дополнительной подгонки  более узких допусков на номиналы пассивных элементов;
  • более высокая плотность размещения элементов на подложке;
  • возможность задания более сложных конфигураций элементов микросхемы;
  • возможность реализации пленочных катушек индуктивности;
  • отсутствие ограничений на взаимную ориентацию пленочных резисторов;
  • подложки тонкопленочных микросхем обладают меньшими высокочастотными потерями и имеют более высокую радиационную стойкость.
 

    2 РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ  И ВЫБОР НАВЕСНЫХ  КОМПОНЕНТОВ

    2.1 ОБЩИЕ  СВЕДЕНИЯ

 

     При проектировании микросхем одной  из важных задач является расчёт их конструктивных элементов.

     Конструктивными элементами гибридных микросхем, для  которых проводятся расчёты формы и размеров являются пассивные элементы (резисторы и конденсаторы). Расчёт этих элементов проводится исходя из требований электрической схемы и электрофизических свойств выбранных плёночных материалов.

     Также необходимо учитывать, какие методы формирования конфигурации были выбраны для конкретного слоя.

     Для формирования конфигураций проводящего, резистивного и диэлектрических слоев используют различные методы: масочный (соответствующие материалы напыляют на подложку через съемные маски); фотолитографический (пленку наносят на всю поверхность подложки, а затем вытравливают с определенных участков); электроннолучевой (некоторые участки пленки удаляют по заданной программе с подложки с испарением под воздействием электронного луча); лазерный (аналогичен электроннолучевому, только вместо электронного применяют луч лазера). Наибольшее распространение получили два первых способа, а также их комбинация.

     В состав гибридных микросхем наряду с рассчитываемыми пассивными элементами могут входить и отдельные навесные компоненты, выполняющие функции как активных, так и пассивных элементов схемы. 

    2.2 КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ  РЕЗИСТОРОВ 

     Конструктивный  расчет тонкопленочных резисторов заключается  в определении формы, геометрических размеров и минимальной площади, занимаемой резисторами на подложке. При этом необходимо, чтобы резисторы обеспечивали рассеивание заданной мощности, удовлетворяя требуемые точности в условиях существующих технологических ограничений. Исходные данные для дальнейшего расчёта сведены в таблицу 1.

     С учётом схемотехники усилителя и  допусков на номиналы резисторов, максимальный ток, протекающий через резисторы R1определяется:

     

 

     Соответственно  мощность, выделяемая на каждом из резисторов

     

     

     

 

Таблица 1 – Исходные данные для расчета

       R1, R4 R2 R3
Номинал резистора, кОм 1 0,47 0,1
Мощность  резистора, мВт 78 37 8
Допуск  на номинал, %      10
Максимальная  рабочая температура, 0С      55
Шаг координатной сетки, мм      1
 

     Определение оптимального с точки зрения минимума площади под резисторами ГИС  сопротивление квадрата резистивной  пленки:

,                                                                  (2.1)

где n — число резисторов;

    Ri — номинал i-го резистора. 

кОм/м. 

     Выбираем  материал резистивной пленки, с удельным сопротивлением, ближайшим по значению к вычисленному rsо. При этом необходимо, чтобы ТКР материала был минимальным, а удельная мощность рассеяния P0 — максимальной [1].

     Выбираем  материал: сплав ХРОМ (гост 5905-67), материал контактных площадок — золото с подслоем хрома (нихрома), удельное поверхностное сопротивление резистивной пленки rsо=500 Ом/м, диапазон номинальных значений сопротивлений: 50 — 30 000 Ом, допустимая удельная мощность рассеяния: P0=1 Вт/см2, температурный коэффициент сопротивления: ТКР=0,6×10-4 1/ºС.

     Проверка  правильности выбранного материала  с точки зрения точности изготовления резисторов:

     полная  относительная погрешность изготовления пленочного резистора gDR=DR/R состоит из суммы погрешностей:

     gR=gКф+grs+gRt+gRст+gRк ,                                                           (2.2)

где gКф – погрешность коэффициента формы;

   grs – погрешность воспроизведения величины rs резистивной пленки;

   gRt – температурная погрешность;

   gRст  – погрешность, обусловленная старением пленки;

   gRк – погрешность переходных сопротивлений контактов.

     Погрешность коэффициента формы gКф зависит от погрешностей геометрических размеров — длины l и ширины b резистора:

     gКф=Dl/l+Db/b.                                                          (2.3)

     Погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления grs зависит от условий напыления и материала резистивной пленки. В условиях серийного производства ее значение не превышает 5%.

     Температурная погрешность зависит от ТКР материала пленки:

     gRt=aR(Tmax-20oC),                                                     (2.4)

где aR — температурный коэффициент сопротивления материала пленки, 1/oC.

     gRt=0,6×10-4×(55-20)=0,0021=0,21%

     Погрешность gRст, обусловленная старением пленки, вызвана медленным изменением структуры пленки во времени и ее окислением. Она зависит от материала пленки и эффективности защиты, а также от условий хранения и эксплуатации. Обычно для ГИС gRст не превышает 3%.

     Погрешность переходных сопротивлений контактов gRк зависит от технологических условий напыления пленок, удельного сопротивления резистивной пленки и геометрических размеров контактного перехода: длины перекрытия контактных пленок, ширины резистора. Так как материал контактных площадок выбран в соответствии с [1], то этой погрешностью можно пренебречь.

     Допустимая  погрешность коэффициента формы:

     gКфдоп=gR-grs-gRст-gRt-gRк                                                 (2.5)

     gКфдоп=10-5-3-0,21=1,79%>0

     Следовательно материал выбран правильно.

     Определение конструкции резисторов по значению коэффициента формы Кф:

     Кфi=Ri/rs                                                             (2.6)

     Кф1= Кф4=1000/500=2, Кф2 =470/500=0,94, Кф3 =100/500=0,2.

     Резисторы выполняются прямоугольной формы. При этом для резисторов R2 и R3 относительное расположение в соответствии с рисунком 2,а, а для резисторов R1, R4,– в соответствии с рисунком 2,б.

       
 

      а) б)

Рисунок 2 – Конструкция резистора прямоугольной формы:

а)

; б)
 
 

    2.2.1 РАСЧЕТ РЕЗИСТОРОВ С КФ<1 

     Для резисторов, имеющих Кф<1, Кф2 =0,94 сначала определяют длину, а затем ширину резистора.

     Расчёт  резистора R2:

     Расчетное значение длины резистора lрасч выбирают из условия

     lрасч>max{lтехн, lточн, lP},                                                  (2.7)

где lтехн — минимальная длина резистора, определяемая разрешающей способностью выбранного метода формирования конфигурации; lтехн=0,3 мм; Dl,Db=0,01мм [1].

   lточн — минимальная длина резистора, при которой обеспечивается заданная точность:

     lточн>(Dl+Db×Kф)/gКф                                                    (2.8)

     lточн=(0,01+0,01×0,94)/0,0179=1,08 мм;

   lP — минимальная длина резистора, при которой рассеивается заданная мощность:

                                                            (2.9)

     

.

     За  длину l резистора принимают ближайшее к lрасч значение, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии.

     Отсюда:

     l=1,30 мм.

     Полная  длина резистора равна:

     lполн=l+2e,                                                         (2.10)

где е – размер перекрытия резистора и контактных площадок. [1]

     lполн=1,3+2×0,2=1,75 мм.

     Расчетную ширину резистора:

     bрасч=l/Kф,                                                           (2.11)

     bрасч=1,75/0,94=1,86мм.

     За  ширину b резистора принимают ближайшее к bрасч значение, кратное шагу координатной сетки, то есть:

     b=1,85 мм.

     Площадь, занимаемая резистором на подложке, определяется по формуле:

     S= lполн× b                                                         (2.12)

     S=1,75×1,85 =3,24мм2

     Проверка  расчета:

  1. Удельная мощность рассеяния P’0 не превышает допустимого значения P0:

      P’0=P/S<P0                                                                             (2.13)

         P’0=37/3,24=11,42 мВт/мм2<20 мВт/мм2

  1. Погрешность коэффициента формы g’Kф не превышает допустимого значения:

g’Kф=Dl/lполн+Db/b<gKфдоп                                         (2.14)

     g’Kф=(0,01/1,75+0,01/1,85)=0,0111<0,0179

  1. Суммарная погрешность g’R не превышает допуска gR:

     g’R=grS+gKФ+gRt+gRk+gRст<gR                                            (2.15)

     g’R=5+1,11+0,21+3=9,32%<10%

     Расчет  резистора R3 аналогичен приведенному выше. Данные по расчету резисторов сведены в таблицу 2. 

Таблица 2 – Данные по расчёту резисторов R2 и R4

Резистор lтехн, мм lточн, мм lP, мм l, мм lполн, мм bрасч, мм b, мм S, мм2 P’0, мВт/мм2 g’Kф,% g’R, 
%
R2 0,3 1,08 1,32 1,30 1,75 1,86 1,85 3,24 11,42 1,11 9,32
R3 0,3 1,01 0,28 0,3 0,7 3,5 3,5 2,45 3,27 1,17 9,38
 

    2.2.2 РАСЧЕТ РЕЗИСТОРОВ, ИМЕЮЩИХ KФ>1 

     Для резисторов, имеющих Kф>1, сначала определяют ширину, а затем длину резистора.

     Расчёт  резистора R1, R4:

     Расчетное значение ширины резистора должно быть не менее наибольшего значения одной из трех величин:

     bрасч>max{bтехн, bточн, bP}                                                    (2.16)

где bтехн — минимальная ширина резистора, определяемая возможностями технологического процесса; bтехн=0,1 мм. [1]

Конструирование и проектирование интегральных микросхем 📙 Курсовая → 🆔 108601

Конструирование и проектирование интегральных микросхем 📙 Курсовая → 🆔 108601

Конструирование и проектирование интегральных микросхем