Разработка конструкции и технологии изготовления логического элемента в интегральном исполнении

Рассмотрим методику расчета  резисторов прямоугольной формы  К_ф 1. Такие резисторы критичны к ширине, поэтому начинается с определения ширины b. Расчетное значение ширины резистора b_расч должно быть не меньше наибольшего значения одного из трех величин:

                                                                               (3.4)

где  b_техн – минимальная ширина резистора, определяемая возможностями технологического процесса (для заданной тонкопленочной технологии b_техн = 0,2 мм);

b_точн – ширина резистора, определяемая точностью изготовления, мм.

                                                                                                (3.5)

 

b_р – минимальная ширина резистора, при которой обеспечивается заданная рассеваемая мощность, мм:

                                                                                                  (3.6)

За ширину резистора b принимается  ближайшее к b_расч большее целое значение, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии.

Расчетное значение длины  резистора l_расч определяется по формуле:

                                                                                                 (3.7)

За длину резистора l принимается ближайшее к l_расч большее целое значение, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии.

 

Рассмотрим методику расчета  резисторов прямоугольной формы  с К_ф<1. Такие резисторы критичны к длине, поэтому начинается с определения длины l. Расчетное значение длина резистора l_расч должно быть не меньше наибольшего значения одного из трех величин:

                                                                                   (3.8)

где  l_техн – минимальная длина резистора, определяемая возможностями технологического процесса (для заданной фотолитографии l_техн = 0,1 мм);

l_точн – длина резистора, определяемая точностью изготовления, мм:

 

                                                                                            (3.9)

lр – минимальная длина резистора, при которой обеспечивается заданная рассеваемая мощность, мм:

 

                                                                                               (3.10)

 

                                                                                                      (3.11)

где  Р₀ – удельная мощность, которую может рассеять единица площади выбранного материала.

 

За длину резистора l принимается ближайшее к l_расч большее целое значение, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии.

На практике значение l_р при К_Ф<1 обычно менее l_техн и l_точн. В этих случаях в качестве длины резистора выбирается максимальное из двух значений.

За ширину резистора b принимается  ближайшее к b_расч большее целое значение, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии.

Рассмотрим методика выбора формы стыковки и размера перекрытия резисторов. Величина перекрытия резисторов с проводниками должна учитывать  переходное контактное сопротивление  пары «резистор – проводник» и  допуск на совмещение слоев:

                                                                                                 (3.12)

где  l_RK – допустимое значение перекрытия в зависимости от удельного поверхностного сопротивления материала;

l_D – допуск на несовмещение слоев, для фотолитографии  l_D = 0,1 мм.

Полная длина резистора  определяется по формуле (3.13):

                                          (3.13)

При сопротивлении квадрата резистивной пленки, Ом/□ больше 500 (для сплава РС) l_RK = 0,2 … 0,1 мм.

Площадь резистора определяется по формуле (3.14):

                                              (3.14)

 

3.1.1 Расчет коэффициента  формы резисторов.

Исходные данные для  расчета геометрических размеров для  высокоомных резисторов приведены в таблице 3.1.

По формуле (3.1) определим  погрешность формы. Для этого  определим все элементы этой формулы:

= 0,2 - предельное отклонение от  номинального значения резистора;

= 0,05 - погрешность воспроизведения  удельного поверхностного сопротивления  резистивной пленки;

- температурная погрешность;

=0,0001

= 0,0001*65 = 0,0065

= 0,003 – погрешность, обусловленная старением пленки;

= 0,02 - погрешность переходных  сопротивлений контактов.

0,2 – 0,05 – 0,0065 – 0,003 – 0,02 = 0,1205         

Определим К_Ф:

1

1

 

3.1.2 Расчет геометрических  размеров резисторов с К_Ф 1.

Из соотношения (3.4) выберем  максимальный размер ширины резистора.

 

,

 

где b_техн = 0,2 мм;

 

b_точн определим по формуле (3.5):

0,166 мм;

0,166 мм.

b_р определим по формуле (3.6)

0,17 мм;                          1,2 * b_р1 = 0,208 мм

0,316 мм;                          1,2 * b_р1 = 0,379 мм

 

На основании расчетов и шага коорд. сетки округляем ширину резисторов

b_{расч 1} = 0,2 мм;

b_{расч 2} = 0,4 мм.

Расчетное значение длины  резистора l_расч определяется по формуле (3.11):

0,2 мм;

0,4 мм.

На основании расчетов и шага коорд. сетки округляем длину резисторов

l_{расч 1} = 0,2 мм;

l_{расч 1} = 0,4 мм.

Величина перекрытия резисторов рассчитывается по формуле (3.12):

0,2 мм.

где

l_D = 0,1 мм. Для сплава РС l_RK = 0,1 мм.

 

Полная длина резисторов определяется по формуле (3.13):

l_R1  = 0,2 + 2*0,2 = 0,6 мм;

l_R1  = 0,4 + 2*0,2 = 0,8 мм

Площадь резистора определим  по формуле (3.14):

;

Результаты расчета  геометрических размеров пленочных  резисторов     и параметры  пленочных резисторов приведены  в таблицах 3.2 и 3.3.

 

Таблица 3.2 – Выбранные  и рассчитанные параметры резистивных  материалов и резисторов

Группа	ТКС, αRT, 1/град	Р0 Вт/ см2	Δl, Δb, мм	lΔ, мм	lтехн,   мм	bтехн,   мм	γКФ	γR	γΡS	γRT	γRCТ	γRK	ΔT, C˚	lRK, мм	Шаг коорд. сетки, мм
Сплав РС3710	0,0001	5	0,01	0,1	0,1	0,2	0,1205	0,2	0,05	0,0065	0,003	0,02	100	0,1	0,05

 

Таблица 3.3 - Результаты расчета  геометрических размеров пленочных  резисторов

Груп-па	ρs,   Ом/□	Поз. об.	Номи- нал, Ом	Р ,   мВт	Кф	bточн,  мм	1,2bp, мм	bрасч, мм	lточн, мм	1,2lp, мм	lрасч, мм	lпер, мм	lR,  мм	S, мм2
Сплав РС3710	2000	R1 = R2 = R3 = R7 = R8 = R9 =     R12 = R13 = R17 = R18	2000	1,5	1	0,166	0,208	0,20	-	-	0,20	0,2	0,60	0,04
		R4 = R5 = R6 = R10 = R11 = R14 = R15 = R16	2000	5	1	0,166	0,379	0,40	-	-	0,40		0,80	0,16

3.2  Конструкторско-технологические  требования к навесным компонентам

 

Кроме пленочных резисторов заданная схема имеет навесные элементы. Их выбор для конкретной микросхемы ведут исходя из схемотехнических, конструктивно-технологических и  других требований, которые предъявляются  к параметрам, габаритам и методам  сборки разрабатываемой конструкции. Перечень навесных компонентов приведен в табл. 3.4.

Установку, способы крепления  и методы присоединения навесных компонентов в микросхеме регламентирует ОСТ4.Г0.010.043. Размещение навесных компонентов на плате осуществляется с учетом установленного варианта установки (см. ниже). Рекомендуется навесные компоненты располагать рядами, параллельными сторонам коммутационной платы. Размещение навесных компонентов на плате должно быть выполнено с учетом:

- возможной их замены;

- обеспечения как ручной, так и автоматической установки;

- рационального использования  площади подложки;

- обеспечения минимальной  длины проводников при минимальном  количестве мест их пересечений;

- обеспечения рекомендуемых  зазоров между проводниками и  контактными площадками на плате;

- обеспечения необходимого  сопротивления проводящих слоев  и изоляции;

- уменьшения или исключения  паразитных связей между компонентами  и соединительными проводниками;

- требований по обеспечению  заданного теплового режима ИМС.

 

Таблица 3.4 – Перечень навесных компонентов.

Поз. обознач.	Название компонента	Кол-во
VT1… VT12	Транзистор 2Т317Б СБ0.336.016 ТУ	12

 

Основные геометрические размеры транзистора 2Т317Б показаны на рис. 3.3, а основные параметры приведены  в табл. 3.6. Вариант установки II.

 

 

 

 

1,3

1,3

1,1

Б Э К

14

Æ0,04

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.1– Эскиз транзистора 2Т317Б.

 

Таблица 3.6 – Основные электрические  параметры транзистора 2Т317Б.

Параметр	Значение параметра	Размерность
n-p-n
h21Э	42
Рк max	<0,3	Вт
Ск	7	пФ
Uк max	15	В
Iк max	25	мА
DT	-50…+80	0C

 

3.3  Расчет и выбор  типоразмера платы

 

Общая площадь подложки рассчитывается по формуле [6]:

 

                                                       (3.15)

где K_S = 0,25 – коэффициент заполнения;

SS_R – общая площадь резисторов;

SS_gk – общая площадь навесных компонентов;

SS_КП – общая площадь контактных площадок.

SS_R = 1,68 мм²

(0,3*0,3*n) + ( 1*0,4*N),

где n – количество внутренних КП, n = 36

N – количество внешних КП, N = 16

  3,24 + 6,4 = 9,64 мм²

 

SS_gk = 35,88 мм²

* 47,2 = 188,8 мм².

Значение S округляем в  сторону увеличения: 190 мм². Выбираем стандартную подложку, которая имеет типоразмер:

 

12´16 (мм)

 

Для снижения затрат материала (ситалла Ст38-1 ТХО.735.062 ТУ) и времени, а также повышения технологичности подложки для разрабатываемой ИМС, ввиду её относительно малых размеров, подложки размером 12´16 (мм) будут изготавливаться на единой стандартной плате размером 48´60 (мм) с последующей их резкой на отдельные платы (15 штук при типоразмере подложки 12´16 мм).

 

 

4. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ КОММУТАЦИИ И АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ТОПОЛОГИЧЕСКОГО ЧЕРТЕЖА

 

Процесс разработки топологии включает следующие основные этапы [7]:

- анализ схемы электрической  принципиальной и составление  коммутационной схемы;

- расчёт геометрических размеров  и определение конфигурации плёночных  элементов;

- размещение на площади платы  элементов, компонентов, контактных  площадок и межсоединений микросхемы, т.е. разработку топологического чертежа;

- оценку качества разработанной  топологии.

 

На первом этапе путём анализа  схемы электрической принципиальной оценивается возможность реализации изделия в виде ГИС или микросборки. Выделяются элементы схемы, изготовление которых в составе ГИС невозможно (в данном случае такие элементы отсутствуют).

Далее составляется схема расположения, называемая коммутационной.

Коммутационная схема представляет собой преобразованную электрическую  схему ГИС, содержащую проводники, резисторы  и другие элементы в плёночном  исполнении. Отдельно на схеме выделяют места под установку навесных компонентов и контактных площадок под периферийные выводы и выводы компонентов. При этом необходимо стремиться к минимуму пересечений проводников. В данной разработке плёночные элементы ГИС будут состоять из контактных площадок по периферии (16 шт.), контактных площадок под выводы навесных компонентов (48 шт.), (при высокой квалификации разработчика микроэлектронного устройства можно после анализа схемы электрической принципиальной непосредственно перейти к расчёту плёночных элементов, минуя составление коммутационной схемы).