Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Створення програми комп’ютерного розрахунку компонентів мікросхеми

Зміст

Стор.

Вступ …………………………………………………………………………

Аналіз завдання на проектування ………………………………………
Вибір і техніко-економічне обґрунтування збільшеного технологічного процесу……………………………………………………………………
Вибір матеріалів………………..…………………………………………
Розрахунок і обґрунтування конструкції плівкових елементів ………
Розрахунок і обґрунтування розмірів плати ……………………………
Розробка топології мікросхеми …………………………………………
Вибір корпуса і розробка конструкції мікросхеми в цілому…………
Оцінювання якості конструкції…………………………………………
Опис технологічного процессу виготовлення мікросхеми……………
Створення програми комп’ютерного розрахунку компонентів мікросхеми ………………………………………………………………

Висновок ………………………………………………………………………

Список використаної літератури……………………………………………

Додаток А. Схема принципова електрична…………………………………

Додаток Б. Топологічне креслення мікросхеми ……………………………

Додаток В. Схема включення………………………………………………

Вступ

В сучасній радіоелектроніці все більш поширеним стає використання інтегральних мікросхем у всіх видах радіотехнічної апаратури. Така тенденція пов’язана з постійним зростом рівня вимог до сучасних РЕА і відповідно зі зростом кількості елементів у них. В цих умовах особливої важливості набувають проблеми підвищення надійності апаратури та мікромініатюризація як елементів, так і самої апаратури в цілому. Саме цими питаннями займається мікроелектроніка – розділ електроніки, що займається дослідженням та розробкою якісно нового типу електронних апаратів – інтегральних мікросхем. Мікросхема – це функціональний вузол, який заміняє собою сукупність окремих радіодеталей, при цьому має набагато менші розміри та кращі показники надійності.

Формування гібридної мікросхеми в об‘ємі твердого тіла здійснюється за рахунок використання досліджень фізики твердого тіла та електронного машинобудування на основі якісно нової технології. Найбільш широке застосування знайшли гібридні інтегральні схеми (ГІС). Їх особливістю є поєднання у своїй структурі плівкових пасивних елементів та дискретних активних компонентів, розташованих на спеціальній діелектричній підложці.

1. Аналіз завдання на проектування

Головною метою цієї курсової роботи є розробка топології і конструкції функціональних вузлів інтегральної схеми, а також технологічного напрямку її проектування відповідно до заданої у технічному завданні принципової електричної схеми.

Об’єктом проектування для цієї курсової роботи є гібридна інтегральна схема (ГІС). У порівнянні з напівпровідниковими мікросхемами ГІС має ряд переваг:

забезпечує більш широкий діапазон номіналів, менші межі допусків та кращі електричні характеристики пасивних елементів;
дає змогу використовувати будь-які дискретні компоненти, в тому числі і великі та надвеликі інтегральні схеми

В якості навісних компонентів у ГІС використовуються мініатюрні дискретні конденсатори, резистори, котушки індуктивності, дроселі, трансформатори, фільтри на ПАХ та інші елементи.

Наявність великої кількості контактних зварних з’єднань обумовлює меншу надійність ГІС у порівнянні з напівпровідниковими ІС. Проте можливість проведення попередніх іспитів і відбору активних та пасивних навісних компонентів дозволяє створити ГІС достатньо високої надійності.

В даній роботі об’єктом проектування є підсилювач ВЧ К2ЖА371, в принциповій електричній схемі якого налічується 10 резисторів і 6 транзисторів. Вхідні дані, в тому числі і значення номіналів цих елементів наведені у Таблиці1. Принципова електрична схема мікросхеми, що проектується, наведена у Додатку А. Відповідно до індивідуального завдання резистори, як і вся мікросхема, повинні бути виготовлені за товстоплівковою технологією.

Таблиця 1

Позначення на схемі	Найменування і тип	Дані	Кількість	Примітка
R1	Резистор 8к	12,5мВт	1
R2,	Резистор 30к	2,0мВт	1
R3,5,7	Резистор 400	40мВт	3
R6	Резистор 6к	10 мВт	1
R4,10	Резистор 300	45мВт	2
R8	Резистор 60	6,5мВт	1
R9	Резистор 4к	20мВт	1
VT1	Транзистор КТ-318Б		1	навісний
VT2	Транзистор КТ-318Б		1	навісний
VT3	Транзистор КТ-318Б		1	навісний
VT4	Транзистор КТ-318Б		1	навісний
VT5	Транзистор КТ-318Б		1	навісний
VT6	Транзистор КТ-318Б		1	навісний

2. Вибір і техніко-економічне обґрунтування збільшеного технологічного процесу

В основі формування геометрії провідникових, резистивних та діелектричних шарів за допомогою товстоплівковоїї технології виготовлення ГІС лежить трафаретний друк - процес, завдяки якому на підкладці майбутньої мікросхеми утворюється шар необхідної форми та товщини відповідно з провідникових, резистивних та діелектричних паст. Для створення шару необхідної конфігурації спочатку створюється трафарет – тканева сітка, яка у певних місцях має розрядження ниток відповідної ширини та довжини. Потім за допомогою трафарета на підкладку спеціальним чином наноситься необхідна паста. Зазвичай продавлення пасти через трафарет здійснюється спеціальним гумовим валиком – ракелем. Регулюючи кут нахилу ракеля та його тиск на шар пасти, досягають необхідної товщини шару. При вдавленні паста адгезується на поверхні підкладки. Завершальним етапом у створенні плівкового шару є вжигання пасти, який також здійснюється у кілька етапів: сушка пасти (при температурі 100-150 ºС приблизно протягом години) і випалювання залишків (впродовж 2 годин при температурі 600-1000ºС). Таким чином ми одержують підкладку майбутньої ГІС з готовими пасивними компонентами на поверхні. Після цього залишається приєднати по підкладки потрібні активні компоненти, обрати корпус для мікросхеми та зібрати її.

У порівнянні з тонкоплівковою технологією, технологія товстих плівок дає меншу точність виготовлення ГІС, вимагає підгонки розмірів після створення шарів на поверхні, дає меншу ступінь інтеграції ІС. Проте товстоплівкова технологія дозволяє отримати елементи з більш широким діапазоном параметрів і має переваги у випадках, коли ІС має працювати в умовах підвищеної температури. До того ж виготовлення мікросхем за товсто плівковою технологією є більш дешевим, що також важливо в умовах сучасного ринку електронної апаратури.

3. Вибір матеріалів

Параметри товстоплівкових резисторів залежать від типу резистивної пасти, яка використовується для їх створення, товщини слою цієї пасти та розмірів резистора. Оскільки мікросхема, яка проектується в цій роботі, має у своєму складі як низькоомні, так і високоомні резистори, необхідно розділити всі резистори на групи за номіналом, щоб обрати тип резистивної пасти окремо для кожної групи.

В процесі аналізу завдання до курсової роботи всі резистори було поділено на 3 групи:

Перша група:

R3=R5=R7=400 Ом;

R4=R10=300 Ом;

R8=60 Ом;

Друга група:

R1=8 кОм;

R6=6 кОм;

R9=4 кОм;

Третя група:

R2=30 кОм;

Після цього необхідно розрахувати для кожної групи оптимальне значення питомого опору квадрату резистивної плівки за формулою (1):

; (1)

де R_i – значення питомого опору і-го резистора

Проведемо розрахунки:

(Ом/квадрат);

Відповідно до Таблиці 1 оберемо для кожної групи резистивну пасту з найближчим до розрахованого значенням питомого опору.

Таблиця 2. Питомий поверхневий опір резистивних паст

Позначення пасти	ПР-5	ПР-100	ПР-500	ПР-1к	ПР-3к	ПР-6к	ПР-20	ПР-50	ПР100к
Питомий поверхневий опір, Ом/кв⁪	5	100	500	1000	3000	6000	20000	50000	100000

Отже, в результаті аналізу отриманих розрахункових значень і Таблиці 1, було обрано наступні типи паст для кожної з груп відповідно:

Для 1-ї – ПР-100;

Для 2-ї – ПР-6К;

Для 3-ї – ПР-20.

4 Розрахунок і обґрунтування конструкцій плівкових елементів

Для визначенні форми резисторів спочатку необхідно розрахувати коефіцієнт форми для кожного з них. Коефіцієнт форми розраховується за формулою (2):

; (2)

де ρ_s – значення питомого опору квадрату резистивної плівки;

R – опір резистору.

Враховуючи обмеження товстоплівкової технології, перевіримо, щоб всі значення коефіцієнтів форми знаходились у межах 0,2 … 6. Оскільки ця умова виконується, то розрахунок продовжуємо.

Далі треба розрахувати довжину і ширину кожного резистора.

Для резисторів, у яких >1, розрахунок проводять у наступній послідовності:

Розраховують ширину резистора за формулою (3):

; (3)

де - мінімальна ширина резистора, обумовлена можливістю товстоплівкової технології (=0,8 мм); - ширина резистора з умови забезпечення заданої потужності, яка розраховується за формулою (4):

; (4)

де - коефіцієнт запасу потужності, що враховує підгонку резистора. визначається за формулою (5):

; (5)

Відповідно до індивідуального завдання =8%, відповідно:

Після визначення ширини резистора за формулою (3) визначають його довжину за формулою (6):

; (6)

Після цього необхідно провести коригування отриманих значень і . За довжину і ширину резистора приймають значення, найближчі до розрахункових вбік зменшення опору резистора R і кратні кроку або половині кроку координатної сітки з урахуванням масштабу креслення топології. У нашому випадку крок координатної сітки дорівнює 1 мм, а масштаб – 10:1, тому отримані розрахункові значення округлюємо з точністю до 0,1 мм. При цьому ширину коригують в бік збільшення, а довжину – в бік зменшення. Потім по відкоректованому значенню довжини резистора за спеціальними графіками в залежності від ширини резистора та типу резистивної пасти при можливості проводять виправлення значення довжини резистора з урахуванням розтікання паст.

Повну довжину резистора визначають за формулою (7):

; (7)

де - мінімальний розмір перекриття, обумовлений конструктивно-технологічними обмеженнями товстоплівкової технології. Оберемо значення =0,2 мм.

Площа, яку займає резистор на платі, розраховується за формулою (8):

; (8)

Відповідно до завдання і отриманих вище результатів розрахунку проведемо розрахунок резисторів, для яких >1:

Для резистора R1:

мм;

;

Для резистора R2:

мм;

;

Для резисторів R3, R5, R7:

мм;

;

Для резисторів R4,R10:

мм;

;

Для резистора R6:

мм;

;

Для резисторів, що мають <1 розрахунок починають з визначення довжини резистора за формулою (9):

; (9)

де - мінімальна довжина резистора, обумовлена можливістю товстоплівкової технології (=0,8 мм); - довжина резистора з умови забезпечення заданої потужності, яка розраховується за формулою (10):

; (10)

Потім знаходять ширину резистора за формулою (11):

; (11)

Повну довжину резистора розраховують аналогічно за формулою (7), а площу резистора – за формулою (8).

Розрахуємо розміри резисторів, для яких <1:

Для резистора R8:

мм;

;

Для резистора R9:

мм;

;

Отже, ми визначили розміри та площу всіх резисторів, які розташовані на підкладці мікросхеми. Для того, щоб перевірити правильність розрахунків, знайдемо питому потужність, вона визначається за формулою:

, (12)

де Р_Ri - потужність і-резистора;

S_Ri– площа і-резистора

Для резистору R1:

Для резистору R2:

Для резисторів R3, R5, R7 :

Для резисторів R4, R10:

Для резистору R6:

Для резистору R8:

Для резистору R9:

Р₀= 50, у нашому випадку жодне значення не виходить за ці межі, отже, можна зробити висновок, що розрахунки проведені вірно.

Наступним етапом у проектування ГІС є розробка топології.

Рис.1.Графік корегування довжини резисторів для урахування

розтікання паст

5 Розрахунок і обґрунтування розмірів плати

При розрахунку площі плати виходять з того, що корисна площа плати, яка займається її компонентами, елементами і контактними площадками, дещо менша її загальної площі. Це обумовлено технологічними вимогами і обмеженнями. Для цього вводять коефіцієнт використання плати, значення якого в залежності від складності схеми та засобу її виготовлення складає 2…3.

Загальна площа плати знаходиться за формулою (12):

; (12)

де n1 – кількість плівкових резисторів;

- площа і-го резистора;

n2 – кількість плівкових конденсаторів;

- площа j-го конденсатора;

n3 – кількість компонентів (навісних транзисторів, ІС, конденсаторів, діодів, резисторів, трансформаторів, тощо);

- площа r-го компонента;

n4 – кількість контактних площадок;

- площа l-ї контактної площадки.

Розрахуємо площу плати, прийнявши =3, для зовнішніх виводів: 1,4*2=2,8 мм²; для монтажу транзисторів: 0,6*0,6=0,36 мм²; Площа транзистора КТ-318Б за довідником – 1*1=1 мм².

мм².

Отримане значення площі округлюємо до найближчого з рекомендованого ряду. В результаті обираємо підкладку сьомого типорозміру з розмірами

20мм х 16 мм і площею 320 мм².

6 Розробка топології мікросхеми

Розробку топології будемо проводити на основі отриманих раніше розрахункових значень у 4 етапи:

Розробка комутаційної схеми взаємного розташування елементів і їхніх з’єднань на платі без урахування їх розмірів.
Розміщення і вибір форми плівкових елементів на платі (при необхідності коригування розмірів), а також виконання трасування.
Оцінка якості топології і при необхідності її коригування.
Відпрацьовування ескізів прошарків.

В процесі розробки топології слід дотримуватись наступних основних принципів:

- мінімізація площі, що займається елементами, компонентами і схемою в цілому;

- мінімізація числа перетинань між елементних зєднань;

- рівномірне розташування елементів і компонентів по площі;

- мінімізація числа використовуваних матеріалів для реалізації плівкових елементів;

- підвищення ступеня інтеграції елементів і технологічних процесів.

На основі вище перерахованих засад та результатів розрахунків була створена топологічна схема, креслення якої знаходиться у додатку Б. Топологія була оцінена і відкорегована таким чином, щоб якомога більше відповідати умовам, висунутим вище.

7. ВИБІР КОРПУСА І РОЗРОБКА КОНСТРУКЦІЇ МІКРОСХЕМИ В ЦІЛОМУ.

Інтегральні мікросхеми випускають як в корпусах, так і без них.

Згідно ГОСТ 17467-79 корпуси ІМС поділяються на п’ять типів.

В залежності від матеріалів корпуси підрозділяють на металоскляні, скляні, металокерамічні, керамічні пластмасові і металополімерні.

Корпусний захист застосовують для виробів, що працюють у важких умовах навколишнього середовища. Корпус повинен задовольняти наступні вимоги:

1) здійснення нормального електричного зв’язку між одним й електричної ізоляції між іншими елементами схеми;

2) конструкція корпуса має забезпечувати відвід теплоти від мікросхеми розміщеної усередині корпуса;

3) корпус виконується із матеріалів, інертних до хімічно агресивних компонентів навколишнього середовища (кисню, вологи і т. ін.);

4) корпус має бути достатньо міцним, щоб зберігати мікросхему від ушкоджень під час монтажу й експлуатації.

Для підсилювач ВЧ К2ЖА371 рекомендується використовувати прямокутний полімерний корпус масою не більш 1.5 грамів.

8. ОЦІНЮВАННЯ ЯКОСТІ КОНСТРУКЦІЇ.

Спроектована топологія відповідає принциповій електричній схемі підсилювача ВЧ К2ЖА371.

У ході проектування топології були дотримані всі технічні обмеження обумовлені тонко плівковою технологією виготовлення. Також топологія задовольняє всім конструктивним та електричним вимогам. Елементи розміщені на платі рівномірно і забезпечують роботу схеми.

До того ж не було допущено перетинання товстоплівкових провідників, що зменшує паразитні ємності й індуктивності.

Мікросхема розміщена у металоскляному корпусі, який захищає ГІМС від механічних ударів та від впливу навколишнього середовища.

Для виготовлення ГІС використовується найбільш простий і дешевий технологічний процес, який наведено нижче.

9. ОПИС ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЦЕСУ ВИГОТОВЛЕННЯ МІКРОСХЕМИ.

Нанесення паст можливо здійснювати двома способами: безконтактним і контактним.

Для виготовлення даної мікросхеми оберемо другий спосіб, оскільки точність відбитка при цьому вища ніж при безконтактному способі.

Нанесення паст виконується у наступній послідовності:

1. Очистка поверхні підкладки.

2. Виготовлення трафарету, який несе інформацію про розміри і конфігурацію елементів, шляхом згущення чи розрядження ниток тканини.

3. Встановлюємо підкладку під трафаретом без зазору.

4. Відділення плати від трафарету здійснюється вертикальним переміщенням без ковзання для недопускання розмазання відбитка пасти.

4. Подаємо пасту поверх трафарету пульверизацією за допомогою розпилювача.

5. Сушка пасти. Вона необхідна для видалення з пасти летучих компонентів (розчинника). Сушку проводять при температурі 80 – 150 °С впродовж 10 – 15 хв. в установках з інфрачервоним нагрівом. Інфрачервоне випромінювання проникає вглиб, забезпечуючи рівномірну сушку.

6. Випалювання здійснюють в печах конвеєрного типу непереривної дії з плавним підвищенням температури о максимальної. Випалювання протікає при температурі від 500 до 1000 °С.

10. Створення програми комп‘ютерного розрахунку компонентів мікросхеми.

На основі алгоритму розрахунків, описаних у попередніх пунктах розробимо алгоритм програми для автоматичного розрахунку параметрів компонентів мікросхеми на комп’ютері.

#include <iostream.h>

#include <math.h>

#include <conio.h>

const double bt=0.8,lt=0.8,yr=10,e=0.2;

int del=0,sh=0,i,j,N,n,gr[100],rem=0;

double r[100][10],p[100][10],k[100][10],p0[100],ro[10],rot,r1i=0,r2i=0,bp,lp,b,l,kp,s;

void main ()

{

del=0;

{

cout << "Zadayte kolichestvo rezistorov dlya rascheta (1 ... 100): ";

cin >> N;

}while (N < 1 || N > 100);

if (N > 1)

{

cout<<"\n\n Na skolko grup razbitu rezistoru?: ";

cin>>n;

if (n == 1) goto start;

if (n>N) cout << "\n Grup bolwe, chem rezistorov!!!Povtorite vvod!!!";

}

while (n>N);

do{

rem=0;

for (i=0;i<n;i++)

{

cout << "\n Vvedite kolichestvo rezistorov v " << (i+1) << "-j gryppe: ";

cin >> gr[i];

rem = gr[i]+rem;

}

if (rem!=N) cout<<"\n Nepravilno raspredelenu rezistoru!!!Povtorite vvod!!!";

}while (rem != N);

for(j=0;j<n;j++)

{

cout << "\n Gruppa " <<(j+1)<< ":\n";

for(i=0;i<gr[j];i++)

{

sh = sh+1;

cout << "Zadayte soprotivlenie R dlya " << sh << "-go rezistora (Om): ";

cin >> r[i][j];

cout << "Zadayte moshnost P dlya " << sh << "-go rezistora (mW): ";

cin >> p[i][j];

}while (r[i][j]==0 || p[i][j]==0);

}

if (N==1)

{

start:

gr[0]=N;n=1;

for(i=0;i<N;i++)

{

sh++;

{

cout<<"Zadayte soprotivlenie R dlya " << sh << "-go rezistora (Om): ";

cin>>r[i][j];

cout<<"Zadayte moshnost P dlya " << sh << "-go rezistora (mW): ";

cin>>p[i][j];

}while(r[i][0]==0 || p[i][0]==0);

}

sh=0;

for (j=0;j<n;j++)

{

for (i=0;i<gr[j];i++)

{

r1i += r[i][j];

r2i += (1/r[i][j]);

}

rot = sqrt(r1i/r2i);

if (rot>0 && rot<=48) ro[j]=100,p0[j]=0.05;

if (rot>2000 && rot<=4500) ro[j]=3000,p0[j]=0.05;

if (rot>13000 && rot<=35000) ro[j]=20000,p0[j]=0.05;

for (i=0;i<gr[j];i++)

{

k[i][j] = r[i][j]/ro[j]; sh=sh+1;

if (k[i][j]>6 || k[i][j]<0.2) del = 1;

cout<<"\n Kf(" << sh << "-go rezistora )="<<k[i][j];

}

while(del == 1);

while (!kbhit());

getch();

sh=0;

for(j=0;j<n;j++)

for(i=0;i<gr[j];i++)

{

sh=sh+1;

if (k[i][j]>=1 && k[i][j]<=6)

{

kp=1+(yr/50);

bp=sqrt((kp*p[i][j]*pow(10,-6))/(p0[j]*k[i][j]));

b=(bt>bp)?bt:bp;

l=k[i][j]*b;

l=l+2*e;

cout<<"\n\n Parametru "<<sh<<"-go rezistora iz gryppu " <<(j+1)<<" :";

cout<<"\n l = "<<l<<"mm";

cout<<"\n b = "<<b<<"mm";

cout<<"\n S = "<<(l*b)<<"mm^2";;

}

else if (k[i][j] >= 0.2 && k[i][j] < 1)

{

kp=1+(yr/50);

lp=sqrt((kp*p[i][j]*pow(10,-6)*k[i][j])/p0[j]);

l=(lt>lp)?lt:lp;

b=l/k[i][j];

l=l+2*e;

cout<<"\n\n Parametru "<<sh<<"-go rezistora iz gryppu " <<(j+1)<<" :";

cout<<"\n l = "<<l<<"mm";

cout<<"\n b = "<<b<<"mm";

cout<<"\n S = "<<(l*b)<<"mm^2";;

}

cout<<"\n\n\t RABOTA PROGRAMMU ZAVERSHENA! NAJMITE LUBUYU KLAVISHU!";

getch();

}

Висновок

В результаті виконання даної курсової роботи була спроектована гібридна інтегральна схема за її принциповою електричною схемою та набором вхідних даних. Відповідно до індивідуального завдання, проектування було проведене для товстоплівкової технології виготовлення ГІС, завдяки чому ми ближче ознайомились з її особливостями. Також завдяки цій роботі були набуті навички з топологічного проектування ГІС та закріплені знання з оформлення конструкторсько-технологічної документації. Завершальним етапом проектування було створення комп’ютерної програми для розрахунку пасивних елементів ГІС.

Отже головною метою цієї курсової роботи було закріплення знань з курсу „Основи мікро та наноелектроніки” на основі проектування гібридної інтегральної схеми.

Список використаної літератури

Методичні вказівки до курсового проектування з дисципліни „Основи мікроелектроніки та проектування мікросхем і мікрозбірок” О. В. Андріянов, В. А. Бойко, В. А. Мокрицький. – Одеса: ОДПУ, 2000. – 63с.
«Конструирование и технология микросхем. Курсовое проектирование». / Под ред. Л. А. Коледова. М.: Высш. шк. 1984 – 231с.
«Разработка и оформление конструкторской документации РЭА. Справочное пособие». / Э. Т. Романичева, А. К. Иванова, А. С. Куликов. – М.: Радио и связь. 1984. – 256с.