Анализ технического задания

2019-08-13

186

Обсуждений (0)

0.00 из 5.00 0 оценок

12 Следующая ⇒

Кафедра КПРА

Курсовая работа по курсу: “Технологические процессы микроэлектроники”

На тему: ”Фильтр верхних частот”

Рязань 2008

Содержание:

Исходные данные

Введение

Анализ технического задания

Разработка топологии

Резисторы

Резисторы типа “квадрат”

Конденсаторы

Расчет площади платы

Заключение

Список литературы

Исходные данные

Фильтр верхних частот. Схема электрическая принципиальная №52

Номиналы

R1 – Резистор 10.0 kОМ 1шт; C1, C2 – Конденсатор 10000 пФ 2шт

R2, R3, R6, R7 – Резистор 12.0 kОМ 4шт; С3, С4 – Конденсатор 2.2 мкФ 2шт

R4 – Резистор 3.6 kОМ 1шт;

R5 – Резистор 1.2 kОМ 1шт;

R8 – Резистор 0.2 kОМ 1шт; V1…V4 – Транзистор КТ324В 4шт (СБО.336.031 ТУ)

Плату следует изготовить методом фотолитографии.

Эксплуатационные требования: Т_р = -45⁰ +40⁰С, t_э = 4000 ч.

Введение

Постоянной тенденцией в радиоэлектронике является уменьшение габаритов и масс аппаратуры, повышение ее надежности. До появления интегральных микросхем этот процесс протекал в направлении миниатюризации отдельных элементов. Следующим шагом в миниатюризации было создание техники интегральных микросхем. Этот этап принципиально отличался от предыдущих тем, что в нем аппаратура собирается не из отдельных элементов или модулей, а из функциональных схем, образованных в едином технологическом процессе производства. Основными разновидностями технологии микросхем являются: пленочная, полупроводниковая и смешанная.

В пленочной технологии интегральная микросхема образуется нанесением на диэлектрическую подложку в определенной последовательности пленок из соответствующих материалов. Изготовленные таким образом микросхемы называются пленочными интегральными микросхемами (ПИМС). Разновидностью ПИМС являются гибридные интегральные микросхемы (ГИМС), у которых часть элементов, имеющих самостоятельное конструктивное оформление, вносится в виде навесных деталей.

Чрезвычайным важными характеристиками микросхем является степень интеграции и плотность упаковки. Степень интеграции представляет показатель сложности микросхемы и характеризуется числом содержащихся в ней элементов и компонентов. Плотностью упаковки называется отношение числа элементов и компонентов микросхемы к ее объему.

Анализ технического задания

В данном курсовом проекте нужно разработать микросборку фотолитографическим способом.

Фотолитографический технологический процесс основан на термовакуумном, ионно-плазменном, катодном, магнетронном напылении нескольких сплошных слоёв из различных материалов с последующим получением конфигурации каждого слоя методом фотолитографии.

Достоинства: высокая точность изготовления и плотность размещения элементов на подложке.

Недостатки: метод фотолитографии нельзя применять для создания многослойных конструкций тонкоплёночных интегральных микросхем, т.к. каждый раз при получении рисунка очередного слоя требуется обработка подложки травильным раствором, что негативно сказывается на других слоях с возможным изменением их электрофизических свойств. После очередной фотохимической обработки требуется тщательная очистка подложки от реактивов, для обеспечения необходимой адгезии последующих осаждаемых слоёв; таким методом можно выполнить рисунок не более чем двух слоёв различной конфигурации т.е. невозможно изготовить тонкоплёночный конденсатор (кроме танталового) и осуществить пересечение проводников.

Типовая последовательность формирования плёночных элементов при фотолитографическом методе (порядок вакуумного осаждения):

вариант 1

1. осаждение резистивной плёнки;

2. осаждения проводящей плёнки на резистивную;

3. фотолитография и травление проводящего слоя;

4. фотолитография и травление резистивного слоя;

5. нанесение плёнки межслойной изоляции;

6. осаждение проводящей плёнки;

7. фотолитография и травление проводящего слоя;

8. осаждение защитного слоя.

вариант 2

1. нанесение маскирующего слоя;

2. фотолитография конфигурации резисторов;

3. напыление материала резистивной плёнки;

4. удаление маскирующего слоя;

5. напыление проводящей плёнки;

6. фотолитография проводящего слоя;

7. нанесение материала защитного слоя.

При изготовление гибридных микросхем прибегают, как правило, к корпусной защите. При выборе вида и типа корпуса необходимо руководствоваться требованиями, предъявляемыми к условиям эксплуатации гибридных интегральных микросхем, габаритным параметрам с учётом степени интеграции, сложности схемы и др. Также необходимо учитывать, что технология пайки или сварки штырьковых выводов менее трудоёмка и более отработана.

В зависимости от условий хранения и эксплуатации к корпусам микросхем предъявляются различные требования: достаточная механическая прочность, позволяющая выдерживать нагрузки при сборке и эксплуатации; минимальные габариты, для обеспечения компактности сборки; конструкция корпуса должна позволять легко и надёжно выполнять электрические соединения внутри корпуса; обеспечивать минимальные паразитные параметры, надёжную изоляцию элементов, герметичность, минимальное тепловое сопротивление между микросхемой и окружающей средой; защищать микросхему от воздействий электромагнитного поля, света; иметь минимальную стоимость.

Все корпуса можно подразделить на следующие виды: металлостеклянные, металлокерамические, металлополимерные, пластмассовые, стеклокерамические и др.

Наиболее надёжным методом герметизации для данного использования или хранения микросхем является корпусная вакуум-плотная герметизация. В зависимости от материала, который применяется для изготовления корпусов и герметизации их внешних выводов, вакуум-плотные корпуса подразделяются на стеклянные, керамические, металлостеклянные, металлокерамические. Основными деталями вакуум-плотных корпусов являются: собственно корпус, крышка, изолятор, выводы. На рис. 3.1 показана конструкция металлостеклянного корпуса: 1-крышка, 2- основание корпуса, 3- вывод, 4- стеклянная бусинка, 5- полупроводниковый кристалл.

рис. 3.1

Металлостеклянные корпуса обладают минимальным тепловым сопротивлением между микросхемой и окружающей средой. Выбор материала для металлостеклянных корпусов, определяет качественный спай между материалами выводов и стеклянных изоляторов выводов от корпусов.

Для герметизации и изоляции внешних выводов применяются в основном твёрдые стёкла с коэффициентом теплового расширения α=(45…55)*10^-7, 1/⁰С Чаще всего в качестве материалов корпуса используют ковар (α=47*10^-7, 1/⁰С, Fe - 54%, Ni – 29%, Co – 17%, обладает хорошей теплопроводностью) и молибден (α=55*10^-7, 1/⁰С). Эти материалы образуют хороший спай с твёрдыми стёклами.

рис. 3.2

Конструкции металлостеклянных корпусов делятся на:

· металлостеклянный квадратный корпус (рис. 3.2а) состоит из металлического основания 1 с впаянными изолированными выводами 4, металлической крышкой 2 и изолятора 3. Выводы с основанием герметизируют металлостеклянным спаем. При окончательном монтаже общую герметизацию корпуса проводят электронно-лучевой сваркой. Допустимая рассеиваемая мощность 750 мВт;

· металлостеклянный круглый корпус (рис 3.2б). Основные достоинства: высокая механическая прочность и надёжность. Недостатки: малая плотность упаковки. Состоит из металлического фланца 1, крышки 2, изолятора 3, выводов 4. Фланец имеет ключ, расположенный против вывода. Выводы с основанием герметизируют металлостеклянным спаем. При окончательном монтаже общую герметизацию проводят конденсаторной сваркой (разновидность контактной сварки). Допустимая рассеиваемая мощность 60мВт.

Сварка может осуществляться в вакууме или в среде инертного газа под давлением несколько превышающим атмосферное.

Металлостеклянные корпуса обеспечивают длительную работу в условиях повышенной относительной влажности (до 98%) и в диапазоне температур -60…+125⁰С, поэтому они наиболее рекомендованы для герметизации гибридных микросхем.

Подложка гибридных интегральных микросхем является диэлектрическим и механическим основанием для расположения плёночных элементов и компонентов, а также служит для теплоотвода. Материал подложки должен обладать :

· высоким удельным электрическим сопротивлением, никой диэлектрической проницаемостью;

· высокой механической прочностью в малых толщинах;

· высоким коэффициентом теплопроводности для эффективной передачи теплоты от тепловыделяющих элементов и компонентов корпусу;

· высокой физической и химической стойкостью к воздействию высокой температуры;

· стойкостью к воздействию химических реактивов;

· способность к хорошей механической обработке.

Для изготовления подложек в основном используют: стекло, керамику, ситалл. Стекло и ситалл легко режется алмазным резцом. Резка керамических подложек на производстве не желательна, поэтому их сразу изготавливают нужных размеров.

Наиболее перспективными для гибридных больших интегральных схем и микросборок являются металлические подложки, поверхность которых покрывается относительно тонким (40 – 60 мкм) слоем диэлектрика. Для этой цели используют алюминиевые платины с анодированной поверхностью, стальные пластины, покрытые стеклом или полиамидным лаком.

Резисторы являются самыми распространёнными элементами гибридных интегральных микросхем. Плёночные резисторы формируются на диэлектрической подложке в виде резистивных полос различной конфигурации, заканчивающихся низкоомными контактными переходами и выводами. В гибридных интегральных микросхемах используются тонкоплёночные (d 2 мкм) и толстоплёночные (d 2мкм) резисторы различной конфигурации с простой прямолинейной и сложной формой.

Наиболее распространённой является конструкция резисторов прямолинейной формы рис.3.3а, как наиболее простая в конструктивном и технологическом решении. Прямолинейная форма обеспечивает большую чёткость контура, высокую механическую жёсткость масок, более простую топологию, поэтому лучше отдавать предпочтение этому типу резисторов. Если расчётная длина резистора оказывается большой и не может быть размещена на подложке в одну линию, то его выполняют сложной формы в виде меандра рис.3.3б . Резисторы типа «меандр» применяют для получения высокоомных резисторов. Для изготовления низкоомных сопротивлений, применяют резисторы типа квадрат рис.3.3в.

рис.3.3

Материалы, применяемые для изготовления плёночных резисторов должны обеспечивать возможность получения широкого диапазона стабильных во времени сопротивлений, коррозийной стойкостью, адгезии, технологичности. Для изготовления плёночных резисторов используют разные материалы: чистые металлы и сплавы с высоким удельным электрическим сопротивлением, а также специальные резистивные материалы – керметы, которые состоят из частиц металла и диэлектрика. При выборе материала резистивной плёнки рекомендуется исходить из того, что все резисторы, расположенные на одной плате, составляли один слой и имели одинаковое удельное сопротивление.

Сопоставляя физические свойства плёнок с техническими требованиями к параметрам резистора, выбирают подходящий материал. При этом руководствуются следующими соображениями: необходимо, чтобы резистор занимал, возможно, меньшую площадь, а развиваемая в нем температура не должна нарушать стабильность параметров, ускорять процессы старения. По возможности стараются применить более толстые пленки, т.к. у очень тонких ухудшается стабильность сопротивления.

Разработка топологии

Резисторы

В гибридных интегральных микросхемах широко применяются тонкопленочные резисторы. Сопоставляя физические свойства пленок с техническими требованиями к параметрам резистора, выбирают подходящий материал. При этом руководствуются следующими соображениями: необходимо, чтобы резистор занимал возможно меньшую площадь, а развиваемая в нем температура не должна нарушать стабильность параметров, ускорять процессы старения, выводить величину сопротивления за рамки допуска. По возможности стараются применить более толстые пленки, т.к. у очень тонких ухудшается стабильность сопротивления.

Из сказанных выше соображений выбираем сплав РС-3710, у которого имеются следующие характеристики: диапазон сопротивлений 10…20000 Ом, Удельное сопротивление 100…2000 Ом/, Удельная мощность 20 мВт/мм², ТКС M_a_r = 3.5*10^-4, d_a_r = 1.5*10^-4, коэффициент старения M_КСТ = 2*10^-6 ч^-1, d_КСТ = 0.1*10^-6.

Так же имеются конструкционные и технологические ограничения: минимальная длинна резистора l₀ = 0.1 мм, минимальная ширина резистора b₀ = 0.05 мм, минимальная длинна контактного перехода l_к = 0.1 мм, минимальное расстояние между краями перекрывающих друг друга пленочных элементов h = 0.05 мм.

Для дальнейшего расчета резисторов необходимо знать их рассеиваемую мощность. Для этого все элементы в схеме, кроме резисторов заменим эквивалентами данных элементов, кроме диодов, учитывая их внутреннее сопротивление их PN – перехода, т.е. электрическая схема после замены элементов будет выглядеть следующим образом Рис 4.1:

а) б)

в)

Рис. 4.1

Для расчета токов будем использовать схему, изображенную на рис. 4.1в. Расчет будем вести по законам Кирхгофа.

Необходимые для расчета номиналы R₄=3,6 кОм, R_3,8=197 Ом , R₅=1,2 кОм, U₂=12,6B, U₁=-6,3B, допустимое относительное отклонение сопротивления от номинального значения для всех резисторов составляет .

Для дальнейшего расчета мощности можно воспользоваться следующей формулой:

(1)

а для расчета токов в цепи воспользуемся законами Кирхгофа:

(2)

Решая систему (2) определим токи в цепи:

Далее перейдем к рис. 4.1а:напряжение на R_3,8=6,107В, используя закон Ома найдем токи I₈ и I₃:

I₈=0,025A

I₃=0,001A

Далее определим мощность резисторов R₅, R₄, R₃ и R₈ в отдельности, для этого воспользуемся формулой (1):

Для резистора R₅: Вт.

Для резистора R₄: Вт.

Для резистора R₃: Вт.

Для резистора R₈: Вт.

Для остальных резисторов, не вошедших в упрощенную схему, мощность будем определять по минимальному току I₃:

Для резистора R_{2, 6,7}: Вт.

Для резистора R₁: Вт.

Дальнейший расчет резисторов будем проводить в соответствии с [1].

Приведем конструктивный расчет R₄:

Зададимся коэффициентом влияния a = 0,014 и вычислим коэффициенты влияния:

; ; ; .

Определим среднее значение и половины полей рассеяния относительной погрешности сопротивления, вызванной изменением температуры по следующим формулам:

; (3)

где - среднее значение температурного коэффициента сопротивления резистивной пленки.

, - верхняя и нижняя предельные температуры окружающей среды.

; (4)

; (5)

Таким образом, подставляя исходные данные в формулы (3) – (5) получаем следующее:

; ;

;

Определим среднее значение и половину поля рассевания относительной погрешности сопротивления, вызванное старением резистивного материала по формулам:

(6)

(7)

где - среднее значение коэффициента старения резистивной пленки сопротивления.

- половина поля рассеяния коэффициента старения сопротивления резистивной пленки.

; (8)

; (9)

Таким образом, получаем следующее:

(10)

(11)

(12)

(13)

Определим допустимое значение случайной составляющей поля рассеяния суммарной относительной погрешности сопротивления по следующей формуле:

(14) (15)

где: , ,

Положив М_R_ПР = 0, тогда:

(16)

(17)

Определим допустимое значение случайной составляющей поля рассеяния производственной относительной погрешности сопротивления по следующей формуле:

(18)

(19)

Подставим вычисленные выше значения в данную формулу, получим:

Определим допустимое значение случайной составляющей поля рассеяния производственной относительной погрешности коэффициента формы, по следующей формуле:

(20)

Подставим значения и получим:

Определим расчетное значение коэффициента форм резистора:

(21)

Определим ширину резистивной пленки:

мм (22)

мм (23)

мм (24)

(25)

мм (26)

мм (27)

Определим сопротивление контактного перехода резистора:

Ом (28)

Ом (29)

Проверим следующее условие:

(30)

Определим длину резистора:

мм (31)

мм (32)

Теперь определим среднее значение коэффициента формы:

(33)

Определим среднее значение М_R_ПР и половину поля рассеяния d_R_ПР относительной производственной погрешности:

(34)

(35)

(36)

(37)

(38)

(39)

Определим граничные условия поля рассеяния относительной погрешности сопротивления резистора:

(40)

(41)

Определяем длину резистивной пленки и площадь резистора:

мм (42)

мм²(43)

Определим коэффициент нагрузки резистора:

(44)

Подобно этому расчету рассчитываем остальные резисторы, а результаты заносим в таблицу №1.

Таблица №1

Резисторы	α	L,мм	b, мм	S, мм	К_Н	P, мВт
R1	0,009	3,2	0,3	0,96	0,5208	10
R2, R3, R6, R7	0,009	3,8	0,3	1,14	0,5263	12
R4	0,014	2,7	0,7	1,89	0,8466	32
R5	0,017	1,6	1,2	1,92	0,7813	30

Расчёт резистора типа “квадрат”

Приведём конструкционный расчёт резистора типа “квадрат” R₈:

Зададимся коэффициентом влияния a = 0.04 и вычислим коэффициенты влияния:

; ; ; (45)

; (46)

где - среднее значение температурного коэффициента сопротивления резистивной пленки.

, - верхняя и нижняя предельные температуры окружающей среды.

; (47)

; (48)

Таким образом, подставляя исходные данные в формулы (46) – (48) получаем следующее:

; ;

;

(49)

(50)

где - среднее значение коэффициента старения резистивной пленки сопротивления.

- половина поля рассеяния коэффициента старения сопротивления резистивной пленки.

; (51)

; (52)

Таким образом, получаем следующее:

(53)

(54)

(55)

(56)

(57)

(58)

где: , ,

Положив М_R_ПР = 0, тогда:

(59)

(60)

Допустимое значение случайной составляющей поля рассеяния производственной относительной погрешности сопротивления по следующей формуле:

(61)

(62)

Подставим вычисленные выше значения в данную формулу, получим:

(63)

(64)

(65)

(66)

Подставим значения и получим:

(67)

Определим расчетное значение коэффициента форм резистора:

(68)

Определим ширину резистивной пленки:

мм (69)

мм (70)

мм (71)

(72)

мм (73)

мм (74)

Определим сопротивление контактного перехода резистора:

Ом (75)

Ом (76)

Проверим следующее условие:

(77)

Определим среднее значение коэффициента формы:

(78)

(79)

(80)

(81)

(82)

(83)

Определим граничные условия поля рассеяния относительной погрешности сопротивления резистора:

Определим площадь занимаемую резистором:

мм² (84)

Определим коэффициент нагрузки резистора:

(85)

Результаты расчета занесем в таблицу №2:

Таблица №2

резисторы		B, мм	В₁, мм	В₂,мм	S, мм²	P, мВт	К_Н
№	R,Ом
R8	200	5,053	1	4,953	25,53	125	0,2448

Конденсаторы

Конденсаторы являются широко распространенными элементами гибридных микросхем. Пленочный конденсатор представляет собой последовательно нанесенные на подложку и друг на друга пленки проводника и диэлектрика. Такая конструкция пленочных конденсаторов делает их более сложными элементами микросборок по сравнению с резисторами.

Применение многослойных конденсаторов с большим числом обкладок приводит к усложнению технологии, снижению надежности, электрической прочности конденсаторов и повышение их стоимости. Поэтому в пленочных микросборках в основном применяются лишь трехслойные конденсаторы. Все характеристики пленочных конденсаторов зависят от выбранных материалов. Диэлектрическая пленка должна иметь высокую адгезию к подложке и металлическим обкладкам, обладать высокой электрической прочностью и малыми диэлектрическими потерями и многими другими требованиями и характеристиками.

Под наши номиналы конденсаторов более подходит стекло электровакуумное С41-1 (НПО.027.600) с удельной емкостью 150…400 пФ/мм², диэлектрической проницаемостью e₀ = 5,2, tgd_д=(0,2…0,3)·10², электрической прочностью Е_ПР = 300…400 В/мкм, ТКЕ 10⁴ М_a_e_д = 1,7, d_a_e_д = 0,2, коэффициентом старения 10^-5 М_к_e_д = 2, d_к_e_д = 1. Также имеем технологические ограничения на размеры обкладок: Dl = Db = 0,01мм. – максимальное отклонение размеров обкладок, М_со = 5% – среднее значение производственной относительной погрешности удельной емкости, d_со = 1% – половина поля рассеивания производственной относительной погрешности удельной емкости.

Вычислим среднее значение относительной погрешности удельной емкости, Вызванной изменением температуры, М_cotb при верхней и М_cotn при нижней предельной температуре:

(86)