Разработка топологии и технологии изготовления бескорпусной тонкопленочной микросборки

Материал для защиты элементов выбирается по электрической прочности. Он должен обладать низким ТКС, малым tg и большим объемным сопротивлением. В соответствии с вышеизложенными требованиями выбираем моноокись кремния (SiO).

табл. 1.5

2.3  Технологические требования и ограничения

Конструктивные данные характеризуют:

1)      объем и форму гибридной ИМС;

2)      размеры платы (подложки), число и расположение выводов;

3)      размеры и способ монтажа компонентов;

4)      способ монтажа ИМС в корпусе.

При проектировании топологии гибридной ИМС необходимо руководствоваться следующими требованиями.

1.                   Размер платы (подложки) ИМС выбирается в соответствии с типовыми размерами, габариты которых представлены в табл. 2. Платы с типоразмерами № 3…10 используются в стандартных корпусах, остальные – в бескорпусных ИМС и микросборках.

Типоразмеры плат (подложек)                                                                                      таб. 2

2.       Компоненты необходимо по возможности располагать рядами, параллельными сторонам платы  и одинаково ориентированными.

3.       Не допускается монтаж компонентов  на пленочные конденсаторы и пересечения проводников.

4.       Периферийные контактные площадки располагают по четырем или двум противоположным сторонам платы.

5.       Шаг расположения контактных площадок соответствует ряду 0,625; 1,250 и 2,500 мм (для бескорпусной защиты) или расположению выводов корпуса (для корпусной защиты).

6.       Пленочная и гибридная ИМС должны иметь ключ – увеличенную контактную площадку или специальный знак, который должен располагаться в левом нижнем углу на большей стороне платы,  ключ вычерчивается в процессе проектирования топологии ИМС.

Пассивные элементы, к точности которых предъявляются жесткие требования, располагаются на расстоянии 500 мкм при масочном методе и 200 мкм при фотолитографии от краев и осевых линий прижимных перегородок.

Для совмещения элементов, расположенных  в разных слоях, предусматривается перекрытие не менее 200 мкм при масочном и совмещенном методах и менее 100 мкм при фотолитографии.

1.       Для измерения номиналов пленочных элементов и контроля режимов схемы предусматриваются контактные площадки размером не менее  200×200 мкм.

2.       Минимально допустимое расстояние между пленочными элементами (в том числе, и контактными площадками) составляет 300 мкм при масочном методе и 100 мкм при фотолитографии.

3.       Минимальное номинальное значение сопротивления пленочного резистора устанавливается в 50 Ом, при этом длина резистора не должна быть менее 100 мкм.

4.       Минимально допустимая ширина пленочных резисторов составляет 100 мкм при масочном методе и фотолитографии и 50 мкм при танталовой технологии.

5.       Нижняя обкладка конденсатора должна выступать за край верхней обкладки не менее чем на 200 мкм, диэлектрик должен выступать за край нижней обкладки не менее чем на 100 мкм (исключение составляют конденсаторы, образованные пересечением двух полосок).

6.       Минимально допустимая ширина пленочных проводников составляет 100 мкм при масочном методе и 50 мкм при фотолитографии и танталовой технологии.

7.       Минимально допустимое расстояние между пленочными элементами, расположенными в разных слоях, составляет 200 мкм при масочном и совмещенном методах и 100 мкм при фотолитографии и танталовой технологии.

8.       Минимально допустимые размеры контактных площадок составляют: при приварке гибких выводов 200×150 мкм, для припайки 400×400 мкм.

9.       Не рекомендуется проектировать пленочные резисторы с числом квадратов менее 0,1 и конденсаторы с площадями менее 0,5×0,5 мм и суммарной площадью более 2 см.

3. Разработка коммутационной схемы соединений

Нижеприведенные преобразования исходной электрической схемы ИМС и схематический план размещения элементов и соединений между ними на подложке  ИМС на рис. 2 позволяют:

-            упростить конфигурацию электрической схемы для уменьшения числа пересечений изгибов, получения прямых линий;

-            выделить на преобразованной схеме пленочные и навесные элементы;

-            обеспечить электрическую схему внутренними и внешними контактными площадками;

-            расположить элементы и соединения с учетом равномерного распределения мощности рассеяния;

-            расположить контактные площадки равномерно на поверхности подложки с учетом кратчайшего прохождения электрических сигналов с целью уменьшения их искажений.

рис. 2

4. Расчет тонкопленочных элементов микросборки

4.1. Расчет тонкопленочных резисторов

Конструктивно пленочный резистор представляет собой резистивную пленку, нанесенную на соответствующую подложку и состыкованную с контактными площадками. Исходными данными для расчета пленочных резисторов являются схемо­технические данные и данные по материалам (см. табл. 1.1…1.5).

Цель расчета - определение геометрических размеров и формы пленочных резисторов, обеспечивающих получение резисторов с воспроизводимыми и стабильными параметрами.

Производится расчет коэффициента формы Кф для определения степени сложности геометрической конфигурации резисторов. Величина Кф рассчитывается по формуле:

Для R1     Кф =13800/200=69

Для R2     Кф= 6900/200 =34,5

Так как у обоих резисторов Кф>10, осуществляется расчет резисторов сложной геометрической формы типа «меандр».  Геометрическая конфигурация меандра, состоящего из Г- образных звеньев, изображена на рис.4.1

Рис. 4.1.

На рис. 4.1 изображен "меандр", состоящий из пяти Г-образных звеньев, и вве­дены следующие обозначения: t = b + а — период ( шаг) звеньев; b - ширина резистивной пленки; а - расстояние между резистивными полосками; А и В - габаритные размеры "меандра" вдоль осей X и Υ соответственно. Расчет осуществляется по формуле:

bp =

где: Pi - мощность рассеяния резистора;

Р0 - удельная мощность рассеяния материала пленки резистора (берется из табл. 1.2).

Для R1        

Для R2        

Определяем расчетную ширину bрасч резистора по формуле:

где: bтехн- величина, обусловленная технологическими ограничениями,

bтехн — 100 мкм

где: - погрешности, вызванные точностью изготовления геометрических контуров пленки, которые при масочном методе изготовления состав­ляют ±10 мкм.

γκф доп - допустимая погрешность коэффициента формы резистора, которая оп­ределяется из выражения (4.5):

γκф доп =γRi - γps - γctR - γRt - γRk ,

где: γRi =   δ|Ri| = 0,1 (10%) погрешность номинала Ri. Берется из исходных данных (см. табл. 1.1)

γps = 0,02 (2%) - погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления;

γrк = 0,02 (1.. .2 %) - погрешность сопротивления контактов;

γctr - относительное изменение сопротивления, рассчитывается по формуле:

γстR = КстRΔt

где: KctR -  коэффициент старения, характеризует временную нестабильность сопротивления,

KctR= 0,2·10-5 1/час, исходные данные (табл. 1.2), Δt - время эксплуатации, Δt = 1000 часов, исходные данные (см. табл. 1.1)

γrt - относительная температурная погрешность, рассчитывается по формуле:

γRт = αRi ΔT

где: αRi - температурный коэффициент сопротивления TKR, αR1 = αR2 = 0 1/ С, исходные данные (см. табл. 1.2)

ΔТ= Тв - Тн = 60 - интервал рабочих температур.

Для обоих резисторов:

ycxR = 0,2· 10-5 ·1000=0,002

γΚτ = 0·10-4 -60=0

γκφ доп = 0,1 - 0,02 - 0,002 - 0- 0,02=0,058

Для R1: bточн = [10+(10/69)]/0,058 = 175 мкм

Для R2: bточн = [10+(10/34,5)]/0,058 = 177 мкм

Определяем расчетную ширину bрасч  резистора:

Для R1:         bрасч = 175 мкм

Для R2:           bрасч = 177 мкм

Определяем оптимальное число звеньев nопт «меандра»:

Значение nопт рассчитывается, исходя из условия минимизации площади SRi «меандра». Минимальное значение SRi достигается при меандре квадратной формы, когда выполняются усло­вия А=В и а = Ьрасч. В этом случае:

Для R1:  

Для R2:  

Рассчитаем шаг t одного звена меандра.

Величина t рассчитывается по формуле:

t = a + bрасч. = 2bрасч

Для Rl: t =2·175=350 мкм

ДляR2: t =2·177=354 мкм

Определим габаритный размер А.

Значение А рассчитывается по формуле:

A = B = t nопт. = 2bрасч.nопт.

Для R1: А=350·6=2100 мкм

Для R2: А=354·4=1416 мкм

Рассчитаем уточненный габаритный размер В=В0.

Необходимость корректировки размера В вызвана следующими причинами. Величина В получена в предположении, что общая длина I резистивной пленки, свернутой в виде меандра и обеспечи­вающей достижение номинала сопротивления Ri , равна длине вытянутой прямоли­нейной полоски, т.е. I = Ьрасч Кф. На самом деле, при свертывании прямолинейной по­лоски в меандр общее сопротивление резистивной пленки увеличивается из-за уве­личения сопротивления RH в местах прямоугольных изгибов. В связи с этим сопро­тивление меандра Rim превышает заданное номинальное значение сопротивления Ri? в связи с чем возникает необходимость в изменении геометрических размеров меан­дра. Корректировка осуществляется за счет изменения параметра В, оставляя неизменными ширину Ьрасч. резистивной пленки и размер А.