(5 оценок, среднее: 4,80 из 5)
Загрузка...
Учебная работа. Дипломная работа: Микроэлектроника
Электроника прошла несколько шагов развития, за время которых сменилось несколько поколений элементной базы: дискретная электроника электровакуумных устройств, дискретная электроника полупроводниковых устройств, интегральная электроника микросхем (микроэлектроника), интегральная электроника многофункциональных микроэлектронных устройств (многофункциональная микроэлектроника).
Элементная база электроники развивается безпрерывно вырастающими темпами. Каждое из приведенных поколений, появившись в определенный момент времени, продолжает совершенствоваться в более оправданных направлениях. Развитие изделий электроники от поколения к поколению идет в направлении их многофункционального усложнения, увеличения надежности и срока службы, уменьшения габаритных размеров, массы, цены и потребляемой энергии, упрощения технологии и улучшения характеристик электрической аппаратуры.
Современный шаг развития электроники характеризуется широким применением интегральных микросхем (ИМС). Это соединено со значимым усложнением требований и задач, решаемых электрической аппаратурой, что привело к росту числа частей в ней. Число частей повсевременно возрастает. Разрабатываемые на данный момент сложные системы содержат 10-ки миллионов частей. В этих критериях только принципиальное электрических компонент и всеохватывающей миниатюризации аппаратуры. Все эти задачи удачно решает микроэлектроника.
Становление микроэлектроники как самостоятельной науки сделалось вероятным благодаря использованию обеспеченного опыта и базы индустрии, выпускающей дискретные полупроводниковые приборы. Но по мере развития полупроводниковой электроники выяснились суровые ограничения внедрения электрических явлений и систем на их базе. Потому микроэлектроника продолжает продвигаться резвыми темпами как в направлении совершенствования полупроводниковой интегральной технологии, так и в направлении использования новейших физических явлений.
Разработка всех ИМС представляетсобойдовольно сложныйпроцесс, требующий решения различных научно-технических заморочек. Вопросцы выбора определенного технологического воплощения ИМС решаются с учетом особенностей разрабатываемой схемы, способностей и ограничений, присущих разным способам производства, также технико-экономического обоснования необходимости массового производства.
Эти вопросцы находят решение методом использования 2-ух главных классов микросхем — полупроводниковых и гибридных. Оба эти класса могут иметь разные варианты структур, любой из которых исходя из убеждений проектирования и производства владеет определенными преимуществами и недочетами. По своимконструктивным и электрическимхарактеристикамполупроводниковые и гибридныеинтегральныесхемыдополняютдругдруга и могут сразу применяться в одних и техже радиоэлектронных комплексах.
При массовом выпуске разных ИМС малой мощности, в особенности созданных для ЭВМ (Электронная вычислительная машина — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач), употребляются, в главном, полупроводниковые ИМС. Гибридные микросхемы заняли доминирующее положение в схемах с большенными электронными мощностями, также в устройствах СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн), в каких можно использовать как толстопленочную технологию, не требующую твердых допусков и высочайшей точности нанесения и обработки пленок, так и тонкопленочную технологию для обеспечениянанесенияпленочныхэлементовоченьмалыхразмеров.
Изделия микроэлектроники: интегральные микросхемы различной степеней интеграции, микросборки, процессоры, мини- и микро-ЭВМ (Электронная вычислительная машина — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач) – дозволили выполнить проектирование и промышленное Создание функционально сложной радио- и вычислительной аппаратуры, отличающейся от аппаратуры прошлых поколений наилучшими параметрами, наиболее высочайшими надежностью и сроком службы, наименьшими потребляемой энергией и стоимостью. Аппаратура на базе изделий микроэлектроники находит обширное применение во всех сферах деятель человека. Созданию систем автоматического проектирования, промышленных ботов, автоматических и автоматических производственных линий, средств связи и многому другому содействует микроэлектроника. /1/
Цельработы: проектирование топологии гибридной интегральной микросхемы К2ТС241 (RST-триггер)
1
. ОБЩИЙ РАЗДЕЛ
1.1 Черта схемы
Гибридные интегральные микросхемы (ГИМ) представляют собой микросхемы, которые содержат не считая частей, неразрывно связанных с подложкой, составляющие, которые могут быть выделены как самостоятельное изделие.
К ГИМ относятся: микросхемы с высочайшей точностью частей и возможностью их подстройки, микросхемы значимой мощности, микросхемы личного внедрения, микросхемы СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн)-диапазона.
Цифровые многофункциональные узлы, содержащие элементы памяти (триггеры), получили заглавие поочередных узлов. К ним относят триггеры, счетчики, делители, распределители импульсов. Эти многофункциональные узлы входят в состав почти всех серий ИС.
Цифровую микросхему как многофункциональный узел охарактеризовывают системой сигналов, которые целенаправлено поделить на информационные (X1…Xm — входные, Y1…Yn — выходные) и управляющие (V1…Vk). Любая схема в согласовании со своим многофункциональным назначением делает определенные операции над входными сигналами (переменными), так что выходные сигналы (переменные) представляют собой итог этих операций Yj=F(X1,…,Xm). Операторами F могут быть как простые логические преобразования, так и сложные функциональные преобразования, имеющие, к примеру, пространство в БИС памяти, процессоре и др.
Сигналы управления определяют вид операции, режим работы схемы, обеспечивают синхронизацию, установку исходного состояния, коммутируют входы и выходы, и т.д.
Данная схема представляет собой импульсное устройство — RST- триггер.
От многофункциональных способностей триггеров и режимов управления их работой зависят свойства регистров, счетчиков и остальных узлов.
Простая схема триггера содержит два входа, на которые поступают управляющие сигналы, и два выхода с различным уровнем напряжений на их: низким и высочайшим.
При изменении композиции сигналов на входах триггер скачком перебегает из 1-го состояния в другое, когда меняются уровни его входных напряжений. Если один из уровней входного напряжения триггера принять за логическую единицу, а иной — за логический ноль, то, подавая определенную комбинацию электронных сигналов на входы триггера, его можно употреблять для хранения и обработки двоичной инфы, деления и счета числа импульсов и т.д.
В истинное время обширное распространение в импульсной и цифровой технике получили интегральные триггерные устройства, реализованные на базе логических схем И-НЕ и ИЛИ-НЕ.
Асинхронный Т-триггер имеет один информационный вход и переключается фронтом, или срезом поступающих на его вход импульсов. Его именуют счетным, потому что число его переключений соответствует числу поступающих на его вход импульсов.
На практике обширно используются разные варианты схем асинхронных Т-триггеров с установочными R и S входами (RST-триггер) для установки триггера в состояние «0» либо «1»./4/
Триггером RST-типа (счетный триггер с раздельной установкой) именуют устройство с 2-мя устойчивыми состояниями и 3-мя входами (R,S и T), сочетающее внутри себя характеристики триггеров RS- и T-типов. Входы Sd
и Rd
у данного триггера являются установочными, а вход T — счетным.
Схема может находиться в 2-ух устойчивых состояниях, каждое из которых определяется композицией 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
1 1Sd
R-S-T Rd
& & & &
Sd
Rd
T
Рис. 1
Таблица 1
Минимизированная таблица переходов RST-триггера
tn
tn+1
Rn
Sn
Tn
Qn+1
0
0
0
Qn
0
0
1
Qn
0
1
0
1
1
0
0
0
Логическое уравнение триггера RST-типа, составленное на базе табл. 1 с учетом
ограничений, исключающих нелегальные композиции сигналов, записывается в виде
Qn+1
= Sn
+ Tn
× Qn
+ Rn
× T × Qn
при S × T = R × T = R × S = 0
Схема RST-триггера подобна схеме триггера Т-типа и различается от нее лишь наличием 2-ух установочных входов Rd
и Sd
. По сиим входам осуществляется непосредственая установка триггера в состояние 0 (Q=0) и 1 (Q=1) соответственно.
Триггер RST-типа находит обширное применение в пересчетных схемах, устройствах управления, распределителях и т.д. /3/
электронные характеристики 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
Наибольшая потребляемая мощность:
150 мВт
Продолжительность фронта и спада выходного импульса:
5мкс
1
.2 Короткая разработка производства данной микросхемы
1
.2.1 Базисные технологические процессы
способ термовакуумного напыления (ТВН) основан на разработке направленного потока пара вещества и следующей конденсации его на поверхностях подложек, имеющих температуру ниже температуры источника пара. Процесс ТВН можно разбить на четыре шага: образование пара вещества, распространение пара от источника к подложкам, конденсации пара на подложках, образование эмбрионов и рост пленки.
Образование пара вещества производится методом его испарения либо сублимации. Вещества перебегают в пар при хоть какой температуре выше абсолютного нуля, но чтоб прирастить интенсивность парообразования вещества нагревают. С повышением температуры увеличивается средняя кинетическая жнергия атомов и возможность разрывов межатомных связей. Атомы отрывается и распространяются в вольном пространстве, образуя пар.
Распространение пара от источников к подложкам осуществляется методом диффузии и конвекции, на которые сначала влияет степень вакуума. Для уменьшения утрат испаряемого материала за счет напыление на внутрикамерную оснастку и стены камеры, также для увеличения скорости напыления и получения наиболее равномерной по толщине пленки нужно обеспечивать прямолинейное движение частиц пара в направлении подложки. Это может быть при условии, если длина вольного пробега частиц пара будет больше расстояния источник-подложка.
Конденсация пара на поверхность подложки зависит от температуры подложки и плотности атомарного потока. Атомы пара, достигшие подложки, могут одномоментно отразиться от нее, адсорбироваться и через некое время отразиться от подложки, адсорбироваться и опосля краткосрочного мигрирования по поверхности совсем остаться на ней.
Образование эмбрионов происходит в итоге нахождения атомами мест, соответственных минимуму вольной энергии системы атом-подложка. Рост эмбрионов происходит за счет присоединения новейших атомов. По мере конденсации пара эмбрионы вырастают, меж ними образуются большие островки. Опосля этого наступает стадия слияния островков с образованием единой сетки. Сетка перебегает в сплошную пленку, которая начинает расти в толщину. Отныне воздействие подложки исключается и частички пара от поверхности пленки фактически не отражаются.
На шаге образования эмбрионов и роста пленки действие остаточных газов на растущую пленку обязано быть сведено к минимуму. Обеспечить это можно увеличением степени вакуума либо повышением скорости парообразования.
Свойство пленки определяется также размером зерна и величиной адгезии к поверхности подложки. Увеличение температуры подложек уменьшает плотность центров зародышеобразования и, как следует, содействует формированию крупнозернистых пленок, и, напротив, увеличение плотности потока пара вещества содействует получению пленок с тонкодисперсной структурой.
Для улучшения адгезии и структуры пленок напыление проводят на нагретые до температуры 200…300°C подложки.
Процесс ТВН делают в вакуумных камерах. Нагрев производят прямым либо косвенным (теплопередачей от испарителя) методами: методом пропускания электронного тока, токами индукции, электрической бомбардировкой.
процесс начинают с загрузки вакуумной камеры: испаряемый материал помещают в тигли, подложки устанавливают в подложкодержатели, маски — в маскодержатели . Зависимо от конструкции внутрикамерных устройств техники выполнения загрузки могут различаться. Потом камеру герметизируют и создают откачку воздуха. При закрытой заслонке создают нагрев подложек до данной температуры и испарителей до температуры испарения. Проводят ионную чистку поверхностей подложек. Откачивают камеру до предельного вакуума. Опосля этого открывают заслонку и ведут напыление пленки. При получении данной толщины пленки процесс напыления прекращают, перекрывая атомарный поток заслонкой. Подложки охлаждают и опосля этого в камеру напускают воздух и создают выгрузку. /2/
1.2.2 Схема технологического процесса производства
Схема последовательности нанесения слоев микросхемы при масочном способе изготовленияпредставлена на рис.2
Схема последовательности нанесения слоев микросхемы при масочном способе производства
Напыление резисторов через маску
Напыление контактных площадок через маску
Напыление изоляционного слоя через маску
Напыление проводников через маску
Напыление нижних обкладок конденсаторов через маску
Напыление диэлектриков через маску
Напыление верхних обкладок конденсаторов через маску
Напыление защитного слоя через маску
Рис. 2
2. СПЕЦИАЛЬНЫЙ РАЗДЕЛ
2.1 Начальные данные к расчету
Для разработки данной схемы, нужны последующие начальные данные:
электронные начальные данные:
схема электронная принципная(рис. 3);
электронные данные активных и пассивных частей (табл.2);
Конструктивные начальные данные:
количество наружных контактных площадок;
Технологические начальные данные:
метод получения тонких пленок;
Таблица 2
Электронные данные активных и пассивных частей
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 (Компьютерная томография — метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта)-359 А
4
2.2 Выбор материалов и их черта
Для производства данной схемы употребляются резистивные материалы, проводящие материалы, материалы для защиты, диэлектрики и материалы для обкладок конденсаторов.
2.2.1 Выбор материалы подложки
Материалом подложки в данной микросхеме является ситалл.
Ситалл — стеклокерамический материал, получаемый методом термообработки стекла. По свойствам превосходит стекло, отлично обрабатывается.
свойства:
Класс шероховатости поверхности:
13..14
ТКЛР, 1/°C при T=(20…300)°C:
(50 ±2)× 10-7
Теплопроводимость, Вт/м*°C:
1.5
температура размягчения, °С:
620
Диэлектрическая проницаемость при f=106
Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ) и Т=+20°C:
5…8.5
Тангенс угла диэлектрических утрат при f=106
Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ) и Т=+20°С:
20×10-4
Ситалл владеет высочайшей хим стойкостью к кислотам, не порист, дает незначимую объемную усадку, газонепроницаем, при больших имеет малую газоотдачу.
2.2.2 Выбор резистивного материала
Выбор материала для сотворения резисторов зависит от их номиналов.Потому что для данной схемы Rmax
/Rmin
>50 ( 22kОм/0.150кОм = 146.7) нужно употреблять 2 материала.
Для сотворения резистора R4 (150 Ом) более целенаправлено употреблять нихром марки Х20Н80 (ГОСТ 8803-58) Кф
=3.
Тонкие пленки нихрома владеют тонкодисперсной структурой, завышенными значениями удельного поверхностного сопротивления, низкими значениями температурного коэффициента поверхностного сопротивления. В качестве начального материала употребляется нихром марки Х20Н80, владеющий из всех нихромов самым низким значением температурного коэффициента поверхностного сопротивления. В
зависимости от толщины пленок и критерий их нанесения характеристики пленочных резисторов можно регулировать в широких границах.
характеристики пленки нихрома Х20Н80:
Удельное поверхностное сопротивление rs
, Ом/ð:
50
ТКR при температуре -60¸125°C:
-2.25 ×10-4
Допустимая мощность рассеяния P0
, Вт/cм2
:
2
Для сотворения остальных резисторов более целенаправлено употреблять кермет К-50С (ЕТО.021.013 ТУ).Кф
= 2.2(для резисторов 22кОм) и 1 (для резисторов 10кОм)
Керметные резистивные пленки содержат диэлектрическую и проводящую фазы. Эти пленки наносят способом испарения в вакууме консистенции порошков металлов (Cr, Ni, Fe) и оксидов (SiO2
, Nd2
O3
, TiO2
), при этом соотношение меж количеством тех и остальных описывает главные характеристики пленок. Керметные пленки владеют неплохой однородностью параметров, завышенной термостойкостью.
характеристики пленки кермета К-50С:
Удельное поверхностное сопротивление rs
, Ом/ð:
10000
ТКR при температуре -60¸125°C:
-5 × 10-4
Допустимая мощность рассеяния P0
, Вт/cм2
:
2
Материал контактных площадок и соединений — золото с подслоем хрома.
2.2.3 Выбор материала для обкладок конденсаторов и материала диэлектрика
Материал диэлектрика должен иметь неплохую адгезию к подложке и материалу обкладок, владеть высочайшей электронной прочностью и малыми потерями,иметь высшую диэлектрическую проницаемость и минимальную гигроскопичность, не распадаться в процессе формирования пленок.
Обкладки конденсаторов обязаны иметь высшую проводимость, коррозийную стойкость, технологическую сопоставимость с материалом подложки и диэлектрика, неплохую адгезию к подложке и диэлектрику, высшую механическую крепкость.
Потому что рабочее напряжение для всех конденсаторов Uр
=12В, для сотворения конденсаторов в данной схеме более целенаправлено употреблять в качестве диэлектрика стекло электровакуумное С41-1 (НПО (Научно-производственное объединение, также научно-производственное предприятие — организация любой организационно-правовой формы, проводящая научные исследования и разработки).027.600). Материал для напыления 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 утрат tgdпри ¦=1кГц:
0.002-0.003
Электронная крепкость Eпр
, В/см:
3 × 106
Рабочая частота ¦, МГц, не наиболее:
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 обязаны иметь маленькое удельное сопротивление, неплохую адгезию к подложке, высшую коррозийную стойкость.
В данной схеме для этих целей более целенаправлено употреблять алюминий А99 (ГОСТ 11069-58) с подслоем нихрома Х20Н80 (ГОСТ 2238-58)
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, заключается в том, что он дешевле почти всех остальных материалов.
2
.2.5 Выбор материала для защиты
Для сотворения защитного слоя в данной схеме более целенаправлено употреблять окись кремния SiO2
, имеющий последующие характеристики:
Удельная емкость С0
, пФ/мм2
:
100
Удельное объемное сопротивление rV
, Ом×см:
1×1013
Электронная крепкость Eпр
, В/см:
6×105
2.3 Выбор и обоснование способа сотворения данной конфигурации частей
При изготовлении данной микросхемы целенаправлено употреблять метод получения конфигурации с помощью вольной маски, потому что допуски на номинал не превосходят 20%.
Зависимо от метода нанесения пленки, параметров материала пленки, требований по точности, плотности размещения частей и остальных причин, выбирают способ вольной (съемной) либо контактной маски.
способ вольной (съемной) маски основан на экранировании части подложки от потока частиц напыляемого вещества при помощи специального трафарета — съемной маски, которая с высочайшей точностью повторяет спроектированную топологию тонкопленочной структуры.
Маску именуют съемной, поэтому что она делается и существует раздельно от подложки. Съемная маска — это узкий экран из железной фольги с отверстиями, очертания и размещение которых соответствуют требуемой конфигурации напыляемой пленки. При напылении пленочных частей маску закрепляют в маскодержателе, который обеспечивает плотный прижим и ее фиксированное положение по отношению к подложке.
В промышленных критериях наибольшее распространение получили биметаллические маски. Такие маски представляют собой пластинку шириной 80-100мкм из бериллиевой бронзы, покрытую с одной либо 2-ух (для трехслойных масок) сторон узким слоем никеля (10-20мкм). Бронзовая пластинка служит механическим основанием, конфигурация получается из-за рисунка в слое никеля.
Биметаллические маски рассчитаны на неоднократное применение. Обычно они выдерживают около 100 циклов напыления пленок, опосля чего же подлежат подмене.
Схема производства тонкопленочной интегральной микросхемы при помощи вольных масокпредставлена на рис. 4
Схема производства тонкопленочной интегральной микросхемы при помощи вольных масок
A B
1
2
3
4
5
6
A — вольная маска; B — подложка
1,2 — напыление резисторов, проводников и контактных площадок
3-6 — напыление слоев конденсатора и защитной пленки
Рис. 4
2.4 Выбор компонент
В данной схеме 4 активных компонента: транзисторы VT1…VT4.
Для реализации данной схемы более подступают по характеристикам безкорпусные маломощные биполярные транзисторы КТ (Компьютерная томография — метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта)359А.
Главные характеристики:
Тип проводимости:
n-p-n
Наибольший ток коллектора Iк
max
, мА:
20
Наибольшая мощность в цепи коллектора Pк
max
, мВт:
15
Неизменное напряжение коллектор-эмиттер при Rэб
£10 кОм Uкэ
, В:
15
Коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером h21
э
:
50-280
Спектр рабочих температур, °C
-50¸85
Габаритные размеры, мм:
a:
0.75
b:
0.75
L
не наиболее 3
H:
0.34
Интервал рабочих температур: -50¸85 °C
Массане наиболее 0.010г
размеры контактных площадок зависят от метода получения конфигурации (для маски: наружные — 0.4*0.4 мм, внутренние 0.2*0.25 мм)
метод установки на плату, габаритные и присоединительные размеры транзистора изображены на рис. 5
Метод установки на плату, габаритные и присоединительные размеры транзистора КТ (Компьютерная томография — метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта)359А
L
0.2
0.75
n 0.75 n + 0.2
m m + 0.2
H
Рис. 5
2.5 Разработка схемы соединений
Разработка коммутационной схемы соединений является составной частью топологического проектирования и содержит в себе преобразование начальной электронной схемы с целью составления плана размещения частей и соединений меж ними на подложке микросхемы.
Главные принципы разработки: упрощение конфигурации электронной схемы для уменьшения числа пересечений и извивов, получения прямых линий и улучшения личного восприятия, выделение на перевоплощенной схеме пленочных и подвесных частей, размещения на электронной схеме внутренних и периферийных контактных площадок.
Коммутационная схема представлена на рисунке 6.
Коммутационная схема
Б1 К2 Б4 К3
C3 C1
К1 R3 C2 C4 R6
K4 R1 R7 R2
R5 R4 R8 R9
Э2 Б2
Э4 Э1 Э3 Б3
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Рис. 6
2.6 Выбор корпуса
Корпус предназначен для защиты микросхемы от механических и остальных действий дестабилизирующих причин (температуры , влажности , солнечной радиации,пыли, брутальных хим и био сред и т.д.)
Система корпуса обязана удовлетворять последующим требованиям: накрепко защищать элементы и соединения микросхемы от действий окружающей среды и, не считая того, обеспечивать чистоту и стабильность черт материалов, находящихся в конкретном соприкосновении с кристаллом полупроводниковой микросхемы либо платой гибридной микросхемы, обеспечивать удобство и надёжность монтажа и сборки микросхемы в корпус; отводить от неё тепло; обеспечивать электронную изоляцию меж токопроводящими элементами микросхемы и корпусом; владеть коррозийной и радиационной стойкостью; обеспечивать надежное крепление, удобство монтажа и сборки корпусов в составе конструкции ячеек и блоков микроэлектронной аппаратуры, быть обычный и дешёвой в изготовлении,владеть высочайшей надёжностью.
Для микросхем серии K224 употребляется употребляется мателло-стекляный корпус типа «Трап», так он имеет нужное количество выводов и удовлетворяет всем нужным требованиям.Данный корпус имеет прямоугольную форму. Все 9 выводов размещены в один ряд по одной стороне.
Некие характеристики корпуса представлены ниже:
масса — 3.0 г;
мощность рассеивания при Т=20°С — 2 Вт
способ герметизации корпуса — аргонодуговой.
3. РАСЧЕТНЫЙ РАЗДЕЛ
3.1 методика расчета пассивных частей
3
.1.1 Методика расчета тонкопленочных резисторов
Конструктивный расчет тонкопленочных резисторов сводится к определению формы, геометрических размеров и малой площади, занимаемой резисторами на подложке.
Определяем среднее
Для реализации пленочных резисторов избираем резистивный материал с удельным сопротивлением, близким к расчетному.
Для резисторов R1..R3,R5..R9 (rs
.опт
= 14.8 кОм/ð) более целенаправлено употреблять 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 корректности избранного материала исходя из убеждений точности производства резисторов.
Точность производства резистора зависит от погрешности Kф
(gКф
), от темпрературной погрешности (gRt
°
), погрешности проигрывания удельного сопротивления резистивной пленки (gr
s
), от погрешности старения (gст
) и от погрешности сопротивления на переходных контактах (gR
пк
):
gR
= gКф
+ gr
s
+ gRt
°
+ gR
ст
+ gR
пк
Погрешность Кф описывает точность геометрических размеров резистора:
gКф
= gR
— gr
s
— gRt
°
— gR
ст
— gR
пк
Погрешность Кф зависит от погрешности геометрических размеров:
Погрешность проигрывания удельного сопротивления зависит от критерий нанесения пленки. В критериях обычной технологии и серийного производства, gr
s
= 5%.
Температурная погрешность зависит от ТКR:
gRt
°
=aR
(Tmax
— 20°C)
Погрешность старения зависит от материала пленки, защиты и критерий эксплуатации:
gR
ст
= 3%
Погрешность переходных контактов зависит от геометрических размеров контактных площадок и площади перекрытия их и резистивной пленки.
gR
пк
= 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 значению коэффициента формы.
Потому что коэффициент формы лежит в границах от 1 до 10, то более хорошей будет прямоугольная форма резистора.
bрассч
³max íbточн.
, bmin
, bр
ý
Для масочного метода получения конфигурации bmin
= 200мкм.
bрассч
= 200 мкм
bтоп
— наиблежайшее кратное шагу координатной 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 с помощью программки представлены в таблице 3.
Таблица 3
Результаты расчета 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 к опредению площади перекрытия обкладок.
Малая толщина диэлектрического слоя ограничена требованием получения сплошной пленки без сквозных отверстий и с данной электронной прочностью. Малая толщина диэлектрика определяется по формуле:
dmin
= Kз
Uраб
/Eпр
=
3 × 12/3 × 106
= 0.12 мкм
Kз
— коэффициент припаса электронной прочности. Для пленочных конденсаторов Kз
=3;
Uраб
— рабочее напряжение;
Eпр
— электронная крепкость материала диэлектрика.
Определяем удельную емкость конденсатора, исходя из условия электронной 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
— наибольшая рабочая температура микросхемы.
Суммарная относительная погрешность емкости конденсатора определяется по формуле:
gC
= gС0
+ gS
доп
+ gCt
+ gC
ст
Относительная погрешность удельной емкости зависит от материала и погрешности толщины диэлектрика и составляет 5%:
gС0
= 5%
Относительная погрешность, обусловленная старением пленок конденсатора зависит от материала и способа защиты и обычно не превосходит 3%:
gC
ст
= 3%
Допустимая погрешность активной площади пленочного конденсатора зависит от точности геометрических размеров, формы и площади верхних обкладок и определяется по формуле:
gS
доп
= gС
— gC0
— gCt
— gC
ст
gS
доп
³
gS
DL — погрешность длины верхней обкладки.При масочном методе получения конфигурацииDL=0.01 мм.
Расчет площади производим из условия квадратной формы обкладок (L=B, Кф
=1/2)
C0
£íC0
точн
, C0V
ý
C0
= 383 Пф/мм2
Более целенаправлено избрать материал стекло электровакуумное C41-1 с C0
= 400 Пф/мм2
, но потому что рабочее напряжение данного материала — 6.3 В, а рабочее напряжение конденсатора — 12 В, то данный материал не подходити необходимо избрать иной материал — стекло электровакуумное C41-1 с C0
= 200 пФ/мм2
и рабочим напряжением 12.6 В.
Определяем коэффициент формы:
Кф
= C/C0
= 430/200 = 2.15
Потому что Кф
лежит в границах от 1 до 5, то коэффициент, учитывающий краевой эффект K=1.3.
Определяем площадь верхней обкладки:
S=C/C0
K=1.654 мм2
Определяем размеры верхней обкладки конденсатора:
L=B=ÖS=1.29мм
Определяем размеры нижней обкладки:
Lн
=Bн
=L+2q
Размер перекрытия нижней и верхней обкладок q=0.2мм.
Lн
=Bн
=1.68мм
Определяем размеры диэлектрика:
Lд
=Bд
=Lн
+2f
Размер перекрытия диэлектрика и нижней обкладки f=0.1мм.
Lд
=Bд
=1.88мм
Результаты расчета конденсаторов с помощью программки 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 Программки расчета пассивных частей
3.2.1 программка расчета тонкопленочных резисторов
CLS
PRINT : PRINT «—————-«
INPUT «Номинал резистора, Ом»; r
INPUT «Удельное сопротивления резистивной пленки, Ом/квадрат»; r0
kf = r / r0
PRINT «Кф=»; kf
deltaL = .01
deltaB = .01
INPUT «Погрешность Кф»; Fkf
INPUT «Рассеиваемая мощность P0 в Вт/см^2 * 10^-3»; p0
p0 = 2
INPUT «Мощность резистора P в мВт»; 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 — наиблежайшее кратное шагу координатной сетки. Bтоп=»; btop
lras = bras * kf
e = 20
PRINT «Lрасч = ;»; lras
INPUT «Lтоп — наиблежайшее кратное шагу координатной сетки. Lтоп=»; ltop
lpoln = ltop + 2 * e
S = btop * lpoln
PRINT «Площадь S=»; S
END
3.2.2 программка 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 Расчет площади подложки
Расчет площади подложки сводится к определению суммы площадей резисторов, конденсаторов, подвесных частей, внутренних и всешних контактных площадок.
Площадь платы, нужная для размещения топологической структуры ИМС, определяют исходя из того, что нужная площадь платы меньше ее полной площади, что обосновано технологическими требованиями и ограничениями. С данной целью принимают коэффициент припаса K,
Более целенаправлено избрать размер платы 5×6мм, но, потому что в схеме все наружные контактные площадки размещены в один ряд, нужно избрать размер платы 8×15мм.
3
.4 Оценка термического режима
Расчет сводится к определению температуры транзисторов и всех резисторов.
Обычный термический режим обеспечивается при выполнении критерий:
Tэ
=Tc max
+Qк
+ Qэ
£Tmax
доп
,
Tнк
=Tc max
+Qк
+ Qэ
+ Qвн
£Tmax
доп
,
где Tmax
— наибольшая температура окружающей среды в процессе использования;
Т max
доп
— наибольшая допустимая рабочая температура частей и компонент, данная ТУ.
Qк
— перегрев корпуса;
Qэ
— перегрев частей;
Qвн
— перегрев областей p-n переходов транзисторов.
Наибольшая температурапри эксплуатации интегральной микросхемы K2TC241 TCmax
= 55°С. Потребляемая мощность — 150мВт.
Перегрев корпуса определяется конструкцией корпуса и мощностью рассеяния микросхемы, особенностей монтажа, метода остывания и оценивается по формуле:
Qк
= PS
/(a× St
),
где PS
— потребляемая мощность микросхемы;
a = 3 × 102
Вт/м2
— коэффициент теплопередачи при теплоотводе через слой клея.
St
= 8 × 15 мм — площадь контакта корпуса с теплоотводом.
Как следует:
Qк
= 150 × 10-3
/(3 × 102
× 8 × 15 × 10-6
) = 16.7°C
Внутренний перегрев областей p-n переходов транзистора КТ (Компьютерная томография — метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта)359А относительно подложки определяется по формуле:
Qвн
= Rt
вн
× Pэ
,
где Pэ
— рассеиваемая мощность транзистора;
RT
вн
— внутреннее термическое сопротивление, зависящее от конструктивного выполнения.
Для транзистора КТ (Компьютерная томография — метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта)359А RT
вн
= 860°С/Вт, Pэ
=15мВт.
Как следует:
Qвн
= 860 × 15 × 10-3
= 12.9°C
Перегрев частей за счет рассеиваемой мощности PЭ
рассчитывается по формуле:
Qэ
= Pэ
× RT
,
где Pэ — рассеиваемая можность элемента;
Rт
— внутреннее термическое 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 теплопроводимости материала подложки;
lк
= 0.3 Вт/м с — коэффициент теплопроводимости клея;
B,L — размеры контакта тепловыделяющего элемента с подложкой;
Расчет перегрева всех частей и компонент за счет рассеиваемой мощности представлен в таблице 5.
Таблица 5
Результаты расчета перегрева частей и компонент интегральной микросхемы К2ТС241 (RST-триггер)
Расчетные значения
Элементы и составляющие
КТ (Компьютерная томография — метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта)359А
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
Наибольшая допустимая рабочая температура всех материалов резистивной пленки составляет 125°С.
Наибольшая рабочая температура транзистора КТ (Компьютерная томография — метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта)359А 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 обеспечивается допустимый термический режим, потому что температура самого теплонагруженного элемента (транзистор КТ (Компьютерная томография — метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта)359А) не превосходит очень допустимой.
ВЫВОДЫ
В процессе курсового проектирования были выбраны: разработка получения тонких пленок, тонкопленочных частей, материал подложки, тонкопленочных резисторов, конденсаторов, проводников и контактных площадок, защиты, способ получения конфигурации, подвесные составляющие, корпус.
Была разработана схема соединений, проведен расчет пленочных резисторов, конденсаторов, площади подложки, разработана и вычерчена топология.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. И.Е. Ефимов, И.Я. Козырь, Ю.И. ГорбуновМикроэлектроника.- М.: «Высшая школа»,
1986.
2. И.А. Малышева разработка производства интегральных микросхем.- М.: Радио и связь,
1991.
3. И.Н. БукреевБ.М. Мансуров В.И. Горячев Микроэлектронные схемы цифровых
устройств.-М.: «Русское радио»,1975.
4. Д.В. Игумнов, Г.В. Цариц, И.С. Громов «Базы мкроэлектроники».- М.:«Высшая
школа»,1991.
5. Л.А. Коледов Конструирование и разработка 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 гибридных интегральных микросхем. — М.: «МКИП», 1997.
]]>