Реферат: Микроэлектроника

/>/>ВВЕДЕНИЕ

Общие сведения омикроэлектронике

Электроника прошла несколько этапов развития, за время которых сменилось несколькопоколений элементной базы: дискретнаяэлектроника электровакуумных приборов, дискретная электроника полупроводниковых приборов, интегральная электроника микросхем (микроэлектроника), интегральная электроникафункциональных микроэлектронных устройств (функциональная микроэлектроника).

Элементная база электроники развивается непрерывновозрастающими темпами. Каждоеиз приведенных поколений, появившись в определенный момент времени, продолжаетсовершенствоваться в наиболее оправданных направлениях. Развитие изделийэлектроники от поколения к поколению идет в направлении их функциональногоусложнения, повышения надежности и срока службы, уменьшения габаритныхразмеров, массы, стоимости и потребляемой энергии, упрощения технологии иулучшения параметров электронной аппаратуры.

Современный этап развития электроники характеризуетсяшироким применением интегральных микросхем (ИМС). Это связано со значительным усложнением требований и задач, решаемых электронной аппаратурой, что привело к росту числа элементов вней. Число элементов постоянно увеличивается. Разрабатываемые сейчас сложные системы содержат десяткимиллионов элементов. В этих условияхисключительно важное значение приобретают проблемы повышения надежностиаппаратуры и ее элементов, микроминиатюризацияэлектронных компонентов и комплексной миниатюризации аппаратуры. Все этипроблемы успешно решает микроэлектроника.

Становление микроэлектроники как самостоятельной наукистало возможным благодаря использованию богатого опыта и базы промышленности, выпускающей дискретныеполупроводниковые приборы. Однакопо мере развития полупроводниковой электроники выяснились серьезные ограниченияприменения электронных явлений и систем на их основе. Поэтому микроэлектроника продолжает продвигаться быстрымитемпами как в направлении совершенствования полупроводниковой интегральнойтехнологии, так и в направлении использованияновых физических явлений.

Разработка любых ИМС представляет собой довольно сложный процесс, требующий решения разнообразныхнаучно-технических проблем.Вопросы выбора конкретного технологического воплощения ИМС решаются с учетомособенностей разрабатываемой схемы, возможностей и ограничений,присущих различным способам изготовления, а также технико-экономического обоснования целесообразностимассового производства.

Эти вопросы находят решение путем использования двухосновных классов микросхем — полупроводниковых и гибридных. Оба эти класса могут иметь различныеварианты структур, каждый изкоторых с точки зрения проектирования и изготовления обладает определеннымипреимуществами и недостатками. Посвоим конструктивным и электрическим характеристикам полупроводниковые и гибридные интегральные схемы дополняют друг друга и могутодновременно применяться в одних и тех же радиоэлектронных комплексах.

При массовом выпуске различных ИМС малой мощности, особенно предназначенных для ЭВМ, используются, в основном,полупроводниковые ИМС.Гибридные микросхемы заняли доминирующее положение в схемах с большимиэлектрическими мощностями, атакже в устройствах СВЧ, вкоторых можно применять как толстопленочную технологию, не требующую жестких допусков и высокой точности нанесения иобработки пленок, так и тонкопленочную технологию дляобеспечения нанесения пленочных элементов очень малых размеров.

Изделия микроэлектроники: интегральные микросхемы различнойстепеней интеграции, микросборки,микропроцессоры, мини- и микро-ЭВМ – позволили осуществить проектирование ипромышленное производство функционально сложной радио- и вычислительнойаппаратуры, отличающейся от аппаратуры предыдущих поколений лучшимипараметрами, более высокими надежностью и сроком службы, меньшими потребляемойэнергией и стоимостью. Аппаратура на базе изделий микроэлектроники находитширокое применение во всех сферах деятельности человека. Созданию систем автоматического проектирования, промышленныхроботов, автоматизированных и автоматических производственных линий, средствсвязи и многому другому способствует микроэлектроника. /1/

Цель работы: проектирование топологии гибридной интегральной микросхемыК2ТС241 (RST-триггер)

1. ОБЩИЙ РАЗДЕЛ

1.1 Характеристикасхемы

Гибридные интегральные микросхемы (ГИМ) представляютсобой микросхемы, которыесодержат кроме элементов,неразрывно связанных с подложкой, компоненты, которые могут быть выделены каксамостоятельное изделие.

К ГИМ относятся:микросхемы с высокой точностью элементов и возможностью их подстройки, микросхемы значительной мощности, микросхемы частного применения,микросхемы СВЧ — диапазона.

Цифровые функциональные узлы, содержащие элементыпамяти (триггеры), получили название последовательных узлов. К ним относяттриггеры, счетчики, делители, распределители импульсов. Эти функциональные узлывходят в состав многих серий ИС.

Цифровую микросхему как функциональный узелхарактеризуют системой сигналов, которые целесообразно разделить наинформационные (X1...Xm — входные, Y1...Yn — выходные) и управляющие (V1...Vk). Каждая схема в соответствии со своимфункциональным предназначением выполняет определенные операции над входнымисигналами (переменными), так что выходные сигналы (переменные) представляют собойрезультат этих операций Yj=F(X1,...,Xm). Операторами F могутбыть как простейшие логические преобразования, так и сложныемногофункциональные преобразования, имеющие, например, место в БИС памяти,микропроцессоре и др.

Сигналы управления определяют вид операции, режимработы схемы, обеспечивают синхронизацию, установку начального состояния,коммутируют входы и выходы, и т.д.

Данная схема представляет собой импульсное устройство— RST — триггер.

От функциональных возможностей триггеров и режимовуправления их работой зависят характеристики регистров, счетчиков и другихузлов.

Простейшая схема триггера содержит два входа, на которые поступают управляющиесигналы, и два выхода с разным уровнем напряжений на них: низким и высоким.

При изменении комбинации сигналов на входах триггерскачком переходит из одного состояния в другое, когда изменяются уровни еговходных напряжений. Если один из уровней входного напряжения триггера принятьза логическую единицу, а другой — за логический ноль, то, подавая определеннуюкомбинацию электрических сигналов на входы триггера, его можно использовать дляхранения и обработки двоичной информации, деления и счета числа импульсов ит.д.

В настоящее время широкое распространение в импульснойи цифровой технике получили интегральные триггерные устройства, реализованныена основе логических схем И-НЕ и ИЛИ-НЕ.

Асинхронный Т-триггер имеет один информационный вход ипереключается фронтом, либо срезом поступающих на его вход импульсов. Егоназывают счетным, так как число его переключений соответствует числупоступающих на его вход импульсов.

На практике широко применяются различные варианты схем асинхронныхТ-триггеров с установочными R и S входами (RST-триггер) дляустановки триггера в состояние «0» или«1»./4/

Триггером RST-типа (счетныйтриггер с раздельной установкой) называют устройство с двумя устойчивымисостояниями и тремя входами (R,S и T), сочетающее в себе свойства триггеров RS- и T-типов. ВходыSdи Rd у данного триггера являютсяустановочными, а вход T — счетным.

Схема может находиться в двух устойчивых состояниях,каждое из которых определяется комбинацией сигналов на входах триггера. Работа триггера RST-типа отражена в таблице 1. Структурная схема RST-триггера представлена на рисунке 1.

Структурная схема RST-триггера

/>/>/> Q Q

/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> <td/> <td/> /> /> />

/>/>/>/>/>/>/>/> 1 1 Sd R-S-T Rd

/>/>/>/>/> & & & &

/>/> Sd Rd T

/>/>

Рис. 1

Таблица 1

Минимизированная таблица переходов RST-триггера

tn+1

Qn+1

/>0

1 1 1

Логическое уравнение триггера RST-типа, составленное на основе табл. 1 сучетом

ограничений, исключающих запрещенные комбинации сигналов, записывается ввиде

/>/>/>Qn+1 = Sn + Tn× Qn + Rn × T × Qn при S × T = R × T = R × S = 0

/>/>Схема RST-триггера аналогична схеме триггера Т-типа и отличаетсяот нее только наличием двух установочных входов Rd и Sd. По этим входам осуществляетсянепосредственая установка триггера в состояние 0 (Q=0) и 1 (Q=1) соответственно.

Триггер RST-типа находит широкое применение впересчетных схемах, устройствахуправления, распределителях и т.д. /3/

Электрическиепараметры данной схемы:

Напряжение источника питания: 12В ±10% Потребляемый ток: 10мА Рабочая частота: 10-20кГц Чувствительность по входу 6: 4В То же по входу 9: 1.8В Амплитуда выходного импульса Uвых: 5В Максимальная потребляемая мощность: 150 мВт Длительность фронта и спада выходного импульса: 5мкс 1.2Краткая технология изготовления данной микросхемы1.2.1 Базовые технологические процессы

Метод термовакуумного напыления (ТВН) основан насоздании направленного потока пара вещества и последующей конденсации его наповерхностях подложек, имеющих температуру ниже температуры источника пара.Процесс ТВН можно разбить на четыре этапа: образование пара вещества,распространение пара от источника к подложкам, конденсации пара на подложках,образование зародышей и рост пленки.

Образование пара вещества выполняется путем егоиспарения или сублимации. Вещества переходят в пар при любой температуре вышеабсолютного нуля, но чтобы увеличить интенсивность парообразования веществанагревают. С увеличением температуры повышается средняя кинетическая жнергияатомов и вероятность разрывов межатомных связей. Атомы отрывается ираспространяются в свободном пространстве, образуя пар.

Распространение пара от источников к подложкамосуществляется путем диффузии и конвекции, на которые в первую очередь влияетстепень вакуума. Для уменьшения потерь испаряемого материала за счет напылениена внутрикамерную оснастку и стенки камеры, а также для повышения скоростинапыления и получения более равномерной по толщине пленки необходимообеспечивать прямолинейное движение частиц пара в направлении подложки. Этовозможно при условии, если длина свободного пробега частиц пара будет большерасстояния источник-подложка.

Конденсация пара на поверхность подложки зависит от температуры подложкии плотности атомарного потока. Атомы пара, достигшие подложки, могут мгновенноотразиться от нее, адсорбироваться и через некоторое время отразиться отподложки, адсорбироваться и после кратковременного мигрирования по поверхностиокончательно остаться на ней.

Образование зародышей происходит в результате нахожденияатомами мест, соответствующих минимуму свободной энергии системы атом-подложка.Рост зародышей происходит за счет присоединения новых атомов. По мереконденсации пара зародыши растут, между ними образуются крупные островки. Послеэтого наступает стадия слияния островков с образованием единой сетки. Сеткапереходит в сплошную пленку, которая начинает расти в толщину. С этого моментавлияние подложки исключается и частицы пара от поверхности пленки практическине отражаются.

На этапе образования зародышей и роста пленки воздействиеостаточных газов на растущую пленку должно быть сведено к минимуму. Обеспечитьэто можно повышением степени вакуума или увеличением скорости парообразования.

Качество пленки определяется также размером зерна и величинойадгезии к поверхности подложки. Повышение температуры подложек уменьшаетплотность центров зародышеобразования и, следовательно, способствуетформированию крупнозернистых пленок, и, наоборот, повышение плотности потокапара вещества способствует получению пленок с мелкозернистой структурой.

Для улучшения адгезии и структуры пленок напыление проводятна нагретые до температуры 200...300°C подложки.

Процесс ТВН выполняют в вакуумных камерах. Нагревосуществляют прямым или косвенным (теплопередачей от испарителя) способами: путем пропускания электрическоготока, токами индукции, электронной бомбардировкой.

Процесс начинают с загрузки вакуумной камеры: испаряемый материал помещают в тигли,подложки устанавливают в подложкодержатели, маски — в маскодержатели. Взависимости от конструкции внутрикамерных устройств техники выполнения загрузкимогут различаться. Затем камеру герметизируют и производят откачку воздуха. Призакрытой заслонке производят нагрев подложек до заданной температуры ииспарителей до температуры испарения. Проводят ионную очистку поверхностейподложек. Откачивают камеру до предельного вакуума. После этого открываютзаслонку и ведут напыление пленки. При получении заданной толщины пленкипроцесс напыления прекращают, перекрывая атомарный поток заслонкой. Подложкиохлаждают и после этого в камеру напускают воздух и производят выгрузку. /2/

1.2.2 Схематехнологического процесса изготовления

Схема последовательности нанесения слоев микросхемыпри масочном методе изготовления представленана рис.2

Схемапоследовательности нанесения слоев микросхемы при масочном методе изготовления

Напылениерезисторов через маску

Напылениеконтактных площадок через маску

Напылениеизоляционного слоя через маску

Напылениепроводников через маску

Напылениенижних обкладок конденсаторов через маску

Напылениедиэлектриков через маску

Напылениеверхних обкладок конденсаторов через маску

Напылениезащитного слоя через маску

Рис. 2

2. СПЕЦИАЛЬНЫЙ РАЗДЕЛ2.1 Исходныеданные к расчету

Для разработки даннойсхемы, необходимы следующие исходные данные:

Электрические исходные данные:

схема электрическая принципиальная (рис. 3);

электрические данные активных ипассивных элементов (табл. 2);

Конструктивные исходные данные:

количество внешних контактныхплощадок;

Технологические исходные данные:

способ получения тонких пленок;

Таблица 2

Электрические данные активных и пассивных элементов

Поз.обозн. Наименование Кол-во R1 Резистор 22K ±30% 90мВт 1 R2 Резистор 22K ±30% 10мВт 1 R3 Резистор 10K ±30% 5мВт 1 R4 Резистор 150 Ом ±25% 10мВт 1 R5 Резистор 22К ±30% 10мВт 1 R6 Резистор 10K ±30% 5мВт 1 R7 Резистор 22К ±30% 90мВт 1 R8,R9 Резистор 10К ±30% 5мВт 2 C1 Конденсатор 450пФ ±30% Up=12В 1 C2 Конденсатор 200пФ ±30% Up=12В 1 C3 Конденсатор 430пФ ±30% Up=12В 1 C4 Конденсатор 200пФ ±30% Up=12В 1 VT1...VT4 Транзистор КТ-359 А 4

2.2 Выборматериалов и их характеристика

Для изготовления даннойсхемы используются резистивные материалы, проводящие материалы, материалы длязащиты, диэлектрики и материалы для обкладок конденсаторов.

2.2.1 Выбор материалы подложки

Материалом подложки вданной микросхеме является ситалл.

Ситалл — стеклокерамический материал,получаемый путем термообработки стекла. По свойствам превосходит стекло, хорошообрабатывается.

Характеристики:

Класс шероховатости поверхности: 13..14 ТКЛР, 1/°C при T=(20...300)°C:

(50 ±2) × 10-7

Теплопроводность, Вт/м*°C: 1.5 Температура размягчения, °С: 620

Диэлектрическая проницаемость при f=106Гц и Т=+20°C:

5...8.5

Тангенс угла диэлектрических потерь при f=106 Гц и Т=+20°С:

20×10-4

Ситалл обладает высокойхимической стойкостью к кислотам, не порист, дает незначительную объемнуюусадку, газонепроницаем, при высоких имеет малую газоотдачу.

2.2.2Выбор резистивногоматериала

Выбор материала для создания резисторов зависит от ихноминалов. Так как для данной схемы Rmax/Rmin>50 ( 22kОм/0.150кОм = 146.7) необходимоиспользовать 2 материала.

Для создания резистора R4 (150 Ом) наиболее целесообразноиспользовать нихром марки Х20Н80 (ГОСТ 8803-58) Кф=3.

Тонкие пленки нихрома обладают мелкозернистойструктурой, повышенными значениями удельного поверхностного сопротивления,низкими значениями температурного коэффициента поверхностного сопротивления. Вкачестве исходного материала используется нихром марки Х20Н80, обладающий извсех нихромов самым низким значением температурного коэффициента поверхностногосопротивления. В

зависимости от толщины пленок и условий их нанесения параметры пленочныхрезисторов можно регулировать в широких пределах.

Свойства пленки нихромаХ20Н80:

Удельное поверхностное сопротивление rs, Ом/ð:

50 ТКR при температуре -60¸125°C:

-2.25 ×10-4

Допустимая мощность рассеяния P0, Вт/cм2:

Для создания других резисторов наиболее целесообразноиспользовать кермет К-50С (ЕТО.021.013 ТУ). Кф= 2.2 (для резисторов 22кОм) и 1 (для резисторов10кОм)

Керметные резистивные пленки содержат диэлектрическуюи проводящую фазы. Эти пленки наносят методом испарения в вакууме смесипорошков металлов (Cr, Ni, Fe) иоксидов (SiO2,Nd2O3, TiO2), причем соотношение между количеством тех и другихопределяет основные свойства пленок. Керметные пленки обладают хорошейоднородностью свойств, повышенной термостойкостью.

Свойства пленки керметаК-50С:

Удельное поверхностное сопротивление rs, Ом/ð:

10000 ТКR при температуре -60¸125°C:

-5 × 10-4

Допустимая мощность рассеяния P0, Вт/cм2:

Материал контактных площадок и соединений — золото сподслоем хрома.

2.2.3 Выбор материала для обкладок конденсаторов и материаладиэлектрика

Материал диэлектрика должен иметь хорошую адгезию к подложке и материалуобкладок, обладать высокой электрической прочностью и малыми потерями, иметь высокую диэлектрическую проницаемость и минимальнуюгигроскопичность, не разлагаться в процессе формирования пленок.

Обкладки конденсаторов должны иметь высокую проводимость,коррозийную стойкость, технологическую совместимость с материалом подложки идиэлектрика, хорошую адгезию к подложке и диэлектрику, высокую механическуюпрочность.

Так как рабочее напряжение для всех конденсаторов Uр=12В, длясоздания конденсаторов в данной схеме наиболее целесообразно использовать вкачестве диэлектрика стекло электровакуумное С41-1 (НПО.027.600). Материал длянапыления обкладок — Алюминий А99 (ГОСТ 11069-64).

Удельное поверхностное сопротивление пленки обкладок rs, Ом/ð:

0.2

Удельная емкость C0, пФ/см2:

20 000

Рабочее напряжение Up, В:

12.6 Диэлектрическая проницаемость e при ¦=1кГц: 5.2 Тангенс угла диэлектрических потерь tgd при ¦=1кГц: 0.002-0.003

Электрическая прочность Eпр, В/см:

3 × 106

Рабочая частота ¦, МГц, не более: 300 Температурный коэффициент емкости ТКС при Т= -60 ¸125°C, 1/°C:

(1.5-1.8) × 10-4

2.2.4 Выбор материала для проводников,контактных площадок

Материалы проводников и контактных площадок должны иметь малое удельноесопротивление, хорошую адгезию к подложке, высокую коррозийную стойкость.

В данной схеме для этих целей наиболее целесообразноиспользовать алюминий А99 (ГОСТ 11069-58) с подслоем нихрома Х20Н80 (ГОСТ2238-58)

Толщина подслоя (нихром Х20Н80): 0.01-0.03 Толщина слоя (алюминий А99): 0.3-0.5

Удельное поверхностное сопротивление rs, Ом/ð:

0.1-0.2

Преимущество алюминия, как проводникового материала,состоит в том, что он дешевле многих других материалов.

2.2.5 Выбор материала для защиты

Для создания защитного слоя в данной схеме наиболее целесообразноиспользовать окись кремния SiO2, имеющий следующие параметры:

Удельная емкость С0, пФ/мм2:

100

Удельное объемное сопротивление rV, Ом×см:

1×1013

Электрическая прочность Eпр, В/см:

6×105

2.3 Выбори обоснование метода создания заданной конфигурации элементов

При изготовлении данной микросхемы целесообразноиспользовать способ получения конфигурации при помощи свободной маски, так как допуски на номинал непревышают 20%.

В зависимости от способа нанесения пленки, свойствматериала пленки, требований по точности, плотности размещения элементов идругих факторов, выбирают методсвободной (съемной) или контактной маски.

Метод свободной (съемной) маски основан наэкранировании части подложки от потока частиц напыляемого вещества с помощьюспециального трафарета — съемной маски, которая с высокой точностью повторяет спроектированную топологию тонкопленочнойструктуры.

Маску называют съемной, потому что она изготавливаетсяи существует отдельно от подложки. Съемная маска — это тонкий экран изметаллической фольги с отверстиями, очертания и расположение которыхсоответствуют требуемой конфигурации напыляемой пленки. При напылении пленочныхэлементов маску закрепляют в маскодержателе, который обеспечивает плотныйприжим и ее фиксированное положение по отношению к подложке.

В промышленных условиях наибольшее распространениеполучили биметаллические маски. Такие маски представляют собой пластинутолщиной 80-100мкм из бериллиевой бронзы, покрытую с одной или двух (длятрехслойных масок) сторон тонким слоем никеля (10-20мкм). Бронзовая пластинаслужит механическим основанием, конфигурация достигается за счет рисунка в слоеникеля.

Биметаллические маски рассчитаны на многократноеприменение. Обычно они выдерживают около ста циклов напыления пленок, послечего подлежат замене.

Схема изготовлениятонкопленочной интегральной микросхемы с помощью свободных масок представлена на рис. 4

Схемаизготовления тонкопленочной интегральной микросхемы с помощью свободных масок

/>/>/> A B

/> /> /> /> /> /> /> <td/> /> />

/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> <td/> />

/>/>2

/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> <td/> /> />

/>/>3

/> /> /> /> /> /> /> <td/> /> />

/>4

/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> <td/> />

/>/>/>/>5

/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />

/>6

A- свободная маска; B — подложка

1,2— напыление резисторов,проводников и контактных площадок

3-6— напыление слоевконденсатора и защитной пленки

Рис. 4

2.4 Выборкомпонентов

В данной схеме 4 активных компонента: транзисторы VT1...VT4.

Для реализации данной схемы наиболее подходят попараметрам безкорпусные маломощные биполярные транзисторы КТ359А.

Основные параметры:

Тип проводимости: n-p-n

Максимальный ток коллектора Iк max, мА:

Максимальная мощность в цепи коллектора Pк max, мВт:

Постоянное напряжение коллектор-эмиттер при Rэб£10 кОм Uкэ, В:

Коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером h21э:

50-280 Диапазон рабочих температур, °C -50¸85

Габаритные размеры, мм:

a: 0.75 b: 0.75 L не более 3 H: 0.34

Интервал рабочих температур: -50¸85 °C

Масса не более 0.010г

Размеры контактных площадок зависят от способа получения конфигурации(для маски: внешние — 0.4 * 0.4 мм, внутренние 0.2 * 0.25 мм)

Способ установки на плату, габаритные и присоединительные размерытранзистора изображены на рис. 5

Способустановки на плату, габаритные и присоединительные размеры транзистора КТ359А

/>/>/>/> L

/> /> /> /> /> /> /> /> /> />

/>/>/>/> 0.2

/>/>/>/>/>/>/>/> 0.75

/>/>/>/>/>/>

/>/>/>/>/> n 0.75 n + 0.2

/>/>/>/>/>

/>/>/>/> m m + 0.2

/>/>/>/>/>/>/> H

Рис. 5

2.5 Разработкасхемы соединений

Разработка коммутационной схемы соединений являетсясоставной частью топологического проектирования и включает в себяпреобразование исходной электрической схемы с целью составления планаразмещения элементов и соединений между ними на подложке микросхемы.

Основные принципы разработки: упрощение конфигурации электрической схемы для уменьшениячисла пересечений и изгибов, получения прямых линий и улучшения субъективноговосприятия, выделение на преобразованной схеме пленочных и навесных элементов, размещения на электрической схемевнутренних и периферийных контактных площадок.

Коммутационная схемапредставлена на рисунке 6.

Коммутационнаясхема

Б1 К2 Б4 К3

/>/>/>/>/>/>/>/>/> C3 C1

/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/> К1 R3 C2 C4 R6

/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/> K4 R1 R7 R2

/>/>/>/>/>/>/>/>/> R5 R4 R8 R9

/>/>/>/>/>/>/>/> Э2Б2

/>/>/>/>/>/>/>/>/> Э4Э1 Э3 Б3

1 2 3 4 5 6 7 8 9

/> /> /> /> /> /> <td/> />

Рис. 6

2.6 Выборкорпуса

Корпус предназначен для защиты микросхемы отмеханических и других воздействий дестабилизирующих факторов (температуры,влажности, солнечной радиации, пыли, агрессивныххимических и биологических сред и т.д.)

Конструкция корпуса должна удовлетворять следующимтребованиям: надежно защищать элементы и соединения микросхемы от воздействийокружающей среды и, кроме того, обеспечивать чистоту и стабильностьхарактеристик материалов, находящихся в непосредственном соприкосновении скристаллом полупроводниковой микросхемы или платой гибридной микросхемы,обеспечивать удобство и надёжность монтажа и сборки микросхемы в корпус;отводить от неё тепло; обеспечивать электрическую изоляцию междутокопроводящими элементами микросхемы и корпусом; обладать коррозийной ирадиационной стойкостью; обеспечивать надежное крепление, удобство монтажа исборки корпусов в составе конструкции ячеек и блоков микроэлектроннойаппаратуры, быть простой и дешёвой в изготовлении, обладать высокой надёжностью.

Для микросхем серии K224 используетсяиспользуется мателло-стекляный корпус типа «Трап», такон имеет необходимое количество выводов и удовлетворяет всем необходимымтребованиям.Данный корпус имеет прямоугольную форму. Все 9 выводов расположеныв один ряд по одной стороне.

Некоторые параметры корпусапредставлены ниже:

масса — 3.0 г;

мощность рассеивания при Т=20°С — 2 Вт

метод герметизации корпуса — аргонодуговой.

3. РАСЧЕТНЫЙ РАЗДЕЛ3.1 Методикарасчета пассивных элементов3.1.1 Методика расчета тонкопленочных резисторов

Конструктивный расчет тонкопленочныхрезисторов сводится к определению формы, геометрических размеров и минимальнойплощади, занимаемой резисторами на подложке.

Определяем оптимальное значение сопротивления квадратарезистивной пленки: />

Для реализации пленочных резисторов выбираемрезистивный материал с удельным сопротивлением, близким к расчетному.

Для резисторов R1..R3,R5..R9 (rs.опт= 14.8 кОм/ð) наиболеецелесообразно использовать резистивный материал кермет K50-C ЕТО.021.013 ТУ (rs=10 кОм/ð, P0=2 Вт/см2, ТКR = -5 × 10-4 ).

Для резистора R4 (rs опт = 150 Ом/ð) – нихром Х20Н80 ГОСТ 2238-58 (rs = 50 Ом/ð, P0=2 Вт/см2, ТКR = -2.25 × 10-4)

Проводим проверку правильностивыбранного материала с точки зрения точности изготовления резисторов.

Точностьизготовления резистора зависит от погрешности Kф (gКф), от темпрературной погрешности (gRt°), погрешности воспроизведения удельногосопротивления резистивной пленки (grs), от погрешности старения (gст) и от погрешности сопротивления напереходных контактах (gRпк):

gR= gКф + grs + gRt°+ gRст + gRпк

Погрешность Кф определяет точность геометрическихразмеров резистора:

gКф = gR — grs — gRt°- gRст — gRпк

Погрешность Кф зависит от погрешности геометрическихразмеров:

Погрешность воспроизведения удельного сопротивлениязависит от условий нанесения пленки. В условиях стандартной технологии исерийного производства, grs= 5%.

Температурная погрешность зависит от ТКR:

gRt°=aR (Tmax — 20°C)

Погрешность старения зависит от материала пленки,защиты и условий эксплуатации:

gRст= 3%

Погрешность переходных контактов зависит отгеометрических размеров контактных площадок и площади перекрытия их ирезистивной пленки.

gRпк = 1%

Погрешность Кф для первого материала (кермет):

gRt°=-5 × 10-4(55- 20) = -1.75%

gКф = 30 — 5 + 1.75 -3 -1 = 22.75%

Погрешность Кф для второго материала (нихром):

gRt°=-2.25 × 10-4(55- 20) = -0.79%

gКф = 25 — 5 + 0.79 -3 -1 = 16.79%

Определяем геометрические размеры резисторов по значениюкоэффициента формы.

Так как коэффициент формы лежит впределах от 1 до 10, то наиболееоптимальной будет прямоугольная форма резистора.

bрассч ³ max íbточн., bmin, bрý

Для масочного способа полученияконфигурации bmin= 200мкм.

bрассч= 200 мкм

bтоп — ближайшее кратное шагукоординатной сетки. При масштабе 20:1 шаг координатной сетки равен 50 мкм.

bтоп = 200 мкм

lрассч = bрассч×Кф= 200 × 2.2 = 440 мкм

lполн = lтоп + 2e

e = 20 мкм

lтоп = 450 мкм

lполн = 450 + 40 = 490

Определяем площадь,которую будет занимать резистор на подложке.

S = b × lполн = 200 × 490 = 98000 мкм

Результаты расчета резисторов при помощи программы представлены в таблице3.

Таблица 3

Результатырасчета тонкопленочных резисторов

R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 Длина l, мкм 490 490 200 640 490 200 490 200 200 Ширина b, мкм 200 200 200 200 200 200 200 200 200

Площадь S, мкм2

98000 98000 48000 128000 98000 48000 98000 48000 48000 3.1.2 Методика расчета тонкопленочных конденсаторов

Расчет сводится копредению площади перекрытия обкладок.

Минимальная толщинадиэлектрического слоя ограничена требованием получения сплошной пленки безсквозных отверстий и с заданной электрической прочностью. Минимальная толщинадиэлектрика определяется по формуле:

dmin= KзUраб/Eпр= 3 × 12/3 × 106 = 0.12 мкм

Kз- коэффициент запаса электрической прочности. Для пленочных конденсаторов Kз=3;

Uраб — рабочее напряжение;

Eпр- электрическая прочность материала диэлектрика.

Определяем удельную емкость конденсатора, исходя из условия электрической прочности:

C0V= 0.0885e/d = 0.0885 × 5.2/0.12 × 10-4=383 Пф/мм2

Оцениваем относительную температурную погрешность:

gCt = aC (Tmax — 20°C) = 1.5 × 10-4 (55 — 20)= 0.52%

aC — ТКС материала диэлектрика;

Tmax — максимальная рабочая температурамикросхемы.

Суммарная относительная погрешность емкости конденсатора определяется поформуле:

gC=gС0 + gSдоп+ gCt + gCст

Относительная погрешность удельной емкости зависит от материала ипогрешности толщины диэлектрика и составляет 5%:

gС0= 5%

Относительная погрешность, обусловленная старением пленок конденсаторазависит от материала и метода защиты и обычно не превышает 3%:

gCст= 3%

Допустимая погрешность активной площади пленочного конденсатора зависитот точности геометрических размеров, формы и площади верхних обкладок иопределяется по формуле:

gSдоп = gС — gC0 — gCt — gCст

gSдоп ³gS

DL — погрешность длины верхней обкладки. Примасочном способе получения конфигурации DL=0.01 мм.

Расчет площади производимиз условия квадратной формы обкладок (L=B, Кф=1/2)

C0£ íC0 точн, C0Vý

C0= 383 Пф/мм2

Наиболее целесообразно выбрать материал стекло электровакуумное C41-1 с C0= 400 Пф/мм2, нотак как рабочее напряжение данного материала — 6.3 В, арабочее напряжение конденсатора — 12 В, то данный материал не подходит и нужно выбрать другой материал — стекло электровакуумное C41-1 с C0 = 200 пФ/мм2 ирабочим напряжением 12.6 В.

Определяем коэффициентформы:

Кф= C/C0= 430/200= 2.15

Так как Кф лежит в пределах от 1 до 5, то коэффициент, учитывающий краевойэффект K=1.3.

Определяем площадь верхней обкладки:

S=C/C0K=1.654 мм2

Определяем размеры верхней обкладкиконденсатора:

/>L=B=ÖS=1.29мм

Определяем размеры нижнейобкладки:

Lн=Bн=L+2q

Размер перекрытия нижней и верхнейобкладок q=0.2мм.

Lн=Bн=1.68мм

Определяем размерыдиэлектрика:

Lд=Bд=Lн +2f

Размер перекрытия диэлектрика инижней обкладки f = 0.1мм.

Lд=Bд=1.88мм

Результаты расчета конденсаторов при помощипрограммы представлены в таблице 4.

Таблица 4

Результаты расчета тонкопленочных конденсаторов

С1 С2 С3 С4 Длина L, мм 1.29 0.88 1.29 0.88 Ширина B, мм 1.29 0.88 1.29 0.88

Площать S, мм2

1.654 0.769 1.654 0.769 3.2 Программырасчета пассивных элементов3.2.1 Программа расчета тонкопленочных резисторов

CLS

PRINT: PRINT"----------------"

INPUT «Номинал резистора,Ом»; r

INPUT «Удельное сопротивлениярезистивной пленки, Ом/квадрат»; r0

kf = r / r0

PRINT «Кф=»; kf

deltaL = .01

deltaB = .01

INPUT «Погрешность Кф»; Fkf

INPUT «Рассеиваемая мощность P0в Вт/см^2 * 10^-3»; p0

p0 = 2

INPUT «Мощность резистора P вмВт»; p

bt = ((deltaB + deltaL / kf) / Fkf) *1000

br = SQR(p / (p0 * 10 ^ -3 * kf))

bmin = 200

PRINT «Bточн = »; bt;«мкм»

PRINT «Bр = »; br;«мкм»

PRINT «Bmin = »; bmin;«мкм»

bras = bt

IF br > bras THEN bras = br

IF bmin > bras THEN bras = bmin

PRINT "---------->Bрасч="; bras

INPUT «Bтоп — ближайшее кратноешагу координатной сетки. Bтоп=»; btop

lras = bras * kf

e = 20

PRINT «Lрасч = ;»; lras

INPUT «Lтоп — ближайшее кратноешагу координатной сетки. Lтоп=»; ltop

lpoln = ltop + 2 * e

S = btop * lpoln

PRINT «Площадь S=»; S

END

3.2.2 Программа расчета тонкопленочных конденсаторов

CLS

INPUT «C=»; c

INPUT «C0=»; c0

cc0 = c / c0

PRINT «c/c0»; cc0

IF cc0 >= 5 THEN k = 1

IF cc0 >= 1 AND cc0 < 5 THEN k= 1.3

PRINT «k=»; k

s = c / (c0 * k)

PRINT «S=»; s

L = SQR(s)

PRINT «L=»; L

b = s / L

PRINT «B=»; b

q = .2

f = .1

ln = L + 2 * q

bn = ln

PRINT «Lн=»; ln

PRINT «Bn=»; bn

ld = ln + 2 * f

bd = ld

PRINT «Lд=»; ld

PRINT «Bд=»; bd

END

3.3 Расчетплощади подложки

Расчет площади подложки сводится к определению суммы площадей резисторов,конденсаторов, навесных элементов, внутренних и всешних контактных площадок.

Площадь платы, необходимая для размещениятопологической структуры ИМС, определяют исходя из того, что полезная площадьплаты меньше ее полной площади, что обусловлено технологическими требованиями иограничениями. С этой целью принимают коэффициент запаса K, значение которого зависит отсложности схемы и способа ее изготовления составляет 2-3. Для данной схемы K=3.

Наиболее целесообразно выбрать размерплаты 5x6мм, но, так как в схеме все внешниеконтактные площадки расположены в один ряд, необходимо выбрать размер платы 8x15мм.

3.4Оценка теплового режима

Расчет сводится копределению температуры транзисторов и всех резисторов.

Нормальный тепловой режим обеспечивается при выполнении условий:

Tэ=Tc max+ Qк + Qэ£ Tmax доп,

Tнк=Tc max+ Qк + Qэ+ Qвн £ Tmax доп,

где Tmax — максимальная температура окружающейсреды в процессе эксплуатации;

Т max доп — максимальная допустимая рабочая температура элементов икомпонентов, заданная ТУ.

Qк — перегрев корпуса;

Qэ — перегрев элементов;

Qвн — перегрев областей p-n переходов транзисторов.

Максимальная температура при эксплуатации интегральной микросхемы K2TC241 TCmax = 55°С. Потребляемая мощность — 150мВт.

Перегрев корпуса определяется конструкцией корпуса имощностью рассеяния микросхемы, особенностей монтажа, способа охлаждения иоценивается по формуле:

Qк= PS/(a × St),

где PS — потребляемая мощность микросхемы;

a = 3 × 102 Вт/м2 — коэффициенттеплопередачи при теплоотводе через слой клея.

St = 8 × 15 мм — площадь контакта корпуса с теплоотводом.

Следовательно:

Qк = 150 × 10-3 /(3 × 102 × 8 × 15 × 10-6) = 16.7°C

Внутренний перегрев областей p-n переходов транзистора КТ359А относительно подложкиопределяется по формуле:

Qвн = Rt вн× Pэ,

где Pэ — рассеиваемаямощность транзистора;

RTвн — внутреннее тепловое сопротивление, зависящее отконструктивного исполнения.

Для транзистора КТ359А RTвн= 860°С/Вт, Pэ=15мВт.

Следовательно:

Qвн= 860 × 15 × 10-3 = 12.9°C

Перегрев элементов засчет рассеиваемой мощности PЭ вычисляется по формуле:

Qэ = Pэ × RT,

где Pэ — рассеиваемая можность элемента;

Rт — внутреннее тепловое сопротивление микросхемы:

RТ= [(hп/lп) + (hк/lк)] × [1/(B×L)],

где hп = 0.6мм- толщина подложки;

hк = 0.1мм — толщина клея.

lп = 1.5 Вт/м с — коэффициент теплопроводности материала подложки;

lк= 0.3 Вт/м с — коэффициент теплопроводности клея;

B,L — размеры контакта тепловыделяющегоэлемента с подложкой;

Расчет перегрева всех элементов икомпонентов за счет рассеиваемой мощности представлен в таблице 5.

Таблица 5

Результатырасчета перегрева элементов и компонентов интегральной микросхемы К2ТС241 (RST-триггер)

Расчетные значения Элементы и компоненты КТ359А R1(R7) R2(R5) R3(R8,R9) R4 длина L, мм 0.75 0.49 0.49 0.2 0.64 ширина B, мм 0.75 0.2 0.2 0.2 0.2 Расс. мощность, Вт

15 × 10-3

90 × 10-3

10 × 10-3

5 × 10-3

10 × 10-3

RT, °C/Вт

1.3 7.5 7.5 18.25 5.7

Qэ, °C

0.0195 0.675 0.075 0.09 0.057

Максимальная допустимая рабочая температура всехматериалов резистивной пленки составляет 125°С.

Максимальная рабочая температура транзистора КТ359А составляет 85°C.

TКТ359А= 55 + 16.7 + 0.0195 + 12.9 = 84.6°C < 85°C

TR1(R7)= 55 + 16.7 + 0.675 = 72.3°C < 125°C

TR2(R5)= 55 + 16.7 + 0.075 = 71.78°C < 125°C

TR3(R8,R9)= 55 + 16.7 + 0.09 = 71.79°C < 125°C

TR4= 55 + 16.7 + 0.057 = 71.8°C < 125°C

Расчет показал, что для данной схемы обеспечиваетсядопустимый тепловой режим, так как температура самого теплонагруженногоэлемента (транзистор КТ359А) не превышает максимально допустимой.

/>/>ВЫВОДЫ

В ходе курсового проектирования были выбраны: технология получения тонких пленок, тонкопленочных элементов,материал подложки, тонкопленочных резисторов, конденсаторов, проводников иконтактных площадок, защиты, метод получения конфигурации, навесные компоненты,корпус.

/>Была разработана схемасоединений, проведен расчет пленочных резисторов, конденсаторов, площадиподложки, разработана и вычерчена топология.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. И.Е. Ефимов, И.Я. Козырь, Ю.И.Горбунов Микроэлектроника.- М.: «Высшая школа»,

1986.

2. И.А. Малышева Технология производства интегральных микросхем.- М.: Радио и связь,

1991.

3. И.Н. Букреев Б.М. Мансуров В.И. Горячев Микроэлектронные схемы цифровых

устройств.- М.: «Советское радио», 1975.

4. Д.В. Игумнов, Г.В. Королев, И.С.Громов «Основы мкроэлектроники».- М.: «Высшая

школа», 1991.

5. Л.А. Коледов Конструирование итехнология микросхем.- М.: «Высшая школа», 1984.

6. И.Е. Ефимов, И.Я. Козырь, Ю.И.Горбунов Микроэлектроника.- М.: «Высшаяшкола»,

1987.

7. Н.Н. Калинин, Г.Л. Скибинский, П.П.Новиков Электрорадиоматериалы.- М.: «Высшая школа», 1981.

8. А.Б. Ломов, Проектирование гибридныхинтегральных микросхем. — М.: «МКИП», 1997.

еще рефераты

Еще работы по информатике, программированию

Реферат по информатике, программированию

Модемы и их устройство

18 Июня 2015

Реферат по информатике, программированию

Компьютерная графика OpenGL

18 Июня 2015

Реферат по информатике, программированию

Журналистика и интернет

18 Июня 2015

Реферат по информатике, программированию

Мобильная связь

18 Июня 2015