Курсовая микроэлектроника. Первое высшее техническое учебное заведение россии санктпетербургский горный университет Кафедра электронных систем
Скачать 0.68 Mb.
|
2.2.2. Основные ограничения при применении тонкопленочной технологии Основные ограничения, накладываемые тонкопленочной технологией: 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. Для измерения номиналов пленочных элементов и контроля режимов схемы предусматриваются контактные площадки размером не менее 200х200 мкм. Минимально допустимое расстояние между пленочными элементами (в том числе, и контактными площадками) составляет 300 мкм при масочном методе и 100 мкм при фотолитографии. Минимальное номинальное значение сопротивления пленочного резистора устанавливается в 50 Ом, при этом длина резистора не должна быть менее 100 мкм. Минимально допустимая ширина пленочных резисторов составляет 100 мкм при масочном методе и фотолитографии и 50 мкм при танталовой технологии. 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). Минимально допустимая ширина пленочных проводников составляет 100 мкм при масочном методе и 50 мкм при фотолитографии и танталовой технологии. 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. Минимально допустимые размеры контактных площадок составляют: при приварке гибких выводов 200х150 мкм, для припайки 400х400 мкм. Не рекомендуется проектировать пленочные резисторы с числом квадратов менее 0,1 и конденсаторы с площадями менее 0,5х0,5 мм и суммарной площадью более 2 см. 2.2.3. Основные ограничения в толстопленочной технологии Основные ограничения в толстопленочной технологии: Точность изготовления толстопленочных элементов составляет (0,05…0,1) мм при использовании проводящих паст и 0,1 мм при использовании резистивных и диэлектрических паст. Минимальное расстояние между краями пленочных элементов и платы равно 0,1 мм. Минимальные расстояния между краями платы и отверстиями под внешние выводы должны быть 0,5 мм. Минимально допустимые расстояния между пленочными элементами должны быть 0,05…0,3 мм (в зависимости от типа паст) в одном слое и 0,4 мм – в разных слоях. Минимальная ширина пленочных проводников составляет 0,15…0,2 мм при нанесении пасты на диэлектрический слой (в зависимости от типа паст). Номинальные значения сопротивлений резисторов составляют 25 Ом…1 МОм, емкостей конденсаторов 50…2500 пФ. Минимальная ширина резисторов составляет 0,8 мм. Допустимое отклонение сопротивления резистора до подгонки не должно превышать 50% от номинального значения, максимальная точность подгонки 2%. У толстопленочных конденсаторов нижняя обкладка должна выступать за край верхней не менее чем на 0,3 мм, диэлектрик должен выступать за край нижней обкладки не менее чем на 0,2 мм. Минимальные размеры контактных площадок должны быть 0,4х0,4 мм. Минимальное перекрытие проводящего слоя резистивным должно быть 0,1 мм. Минимальные расстояния компонентов от края платы должны составлять 1мм. 2.3. Конструктивные данные и требования Конструктивные данные характеризуют: а) объем и форму гибридной ИМС; б) размеры платы (подложки), число и расположение выводов; г) размеры и способ монтажа компонентов; д) способ монтажа ИМС в корпусе. При проектировании топологии гибридной ИМС необходимо руководствоваться следующими требованиями. Размер платы (подложки) ИМС выбирается в соответствии с типовыми размерами, габариты которых представлены в таблице 7. Платы с типоразмерами N 3…10 используются в стандартных корпусах, остальные – в бескорпусных ИМС и микросборках. Компоненты необходимо по возможности располагать рядами, параллельными сторонам платы и одинаково ориентированными. Не допускается монтаж компонентов на пленочные конденсаторы и пересечения проводников. Периферийные контактные площадки располагают по четырем или двум противоположным сторонам платы. Шаг расположения контактных площадок соответствует ряду 0,625; 1,250 и 2,500 мм (для бескорпусной защиты) или расположению выводов корпуса (для корпусной защиты). 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. Таблица 7 Типоразмеры плат (подложек)
3. Принципы проектирования пленочных ИМС 3.1. Этапы и принципы проектирования Проектирование осуществляется в результате выполнения четырех основных этапов, включающих в себя: разработку коммутационной схемы соединений элементов на подложке; расчет геометрических размеров и выбор формы пленочных элементов ИМС; определение минимальных размеров подложки (платы), выбор ее типоразмера в соответствии с таблицой 7, а также выбор типоразмера корпуса; разработку топологии ИМС; Основными принципами проектирования на всех этапах являются: минимизация площади, занимаемой элементами, компонентами и схемой в целом; минимизация числа пересечений межэлементных соединений; равномерное расположение элементов и компонентов по площади; минимизация числа используемых материалов для создания пленочных элементов ИМС; повышение степени интеграции элементов и технологических процессов. 3.2. Разработка коммутационной схемы соединений Этот этап проектирования осуществляется с целью преобразования исходной электрической схемы ИМС для составления схематического плана размещения элементов и соединений между ними на подложке ИМС. При этом следует руководствоваться следующими принципами: упрощения конфигурации электрической схемы для уменьшения числа пересечений изгибов, получения прямых линий; выделения на преобразованной схеме пленочных и навесных элементов; обеспечения электрической схемы внутренними и внешними контактными площадками; рассмотрения пассивной части ИМС в качестве графа, у которого вершинами являются контактные площадки, а ребра представляют собой пассивные элементы электрической схемы. Методика преобразования электрической схемы состоит в следующем: ребра графа перекладываются до тех пор, пока число пересечений внутрисхемных соединений не будет сведено к минимуму; элементы и соединения располагаются с учетом равномерного распределения мощности рассеяния; контактные площадки располагаются равномерно на поверхности подложки с учетом кратчайшего прохождения электрических сигналов с целью уменьшения их искажений. На коммутационной схеме пассивные и внутрисхемные соединения выделяются определенным цветом и более толстыми линиями, чем активные элементы гибридной ИМС. Кроме того, следует изображать пленочные резисторы таким образом, чтобы большим номинальным значениям соответствовали более узкие и длинные геометрические конфигурации. 3.3. Расчет геометрических размеров и выбор формы пленочных элементов ИМС 3.3.1. Расчет пленочных 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). Цель расчета – определение геометрических размеров и формы пленочных резисторов, обеспечивающих получение резисторов с воспроизводимыми и стабильными параметрами. Основным требованием при проектировании тонкопленочных и толстопленочных резисторов является минимальная площадь SRi, занимаемая резистором, где i – номер резистора в исходной электрической схеме. Классификация пленочных резисторов. Пленочные резисторы, используемые в гибридных ИМС, подразделяются по технологии изготовления на тонкопленочные и толстопленочные, а по своей конструкции - на простые прямоугольной формы и резисторы сложной формы. Толстопленочные резисторы изготавливаются только прямоугольной формы, а тонкопленочные - простой и сложной конфигурации. Одной из наиболее распространенных конфигураций тонкопленочных резисторов сложной формы являются резисторы типа «меандр». Последние представляют собой сплошную резистивную пленку в виде звеньев. Основные параметры пленочных резисторов: номинальное значение сопротивления (номинал) Ri; допуск на номинал δRi [%]; мощность рассеяния PRi; температурный коэффициент сопротивления ТКR= Ri; коэффициент старения резистора КстR; интервал рабочих температур ΔΤTвTн, где Тв и Тн – верхнее и нижнее значения температур эксплуатации; время эксплуатации Δt; надежность . Параметры резисторов зависят от материала резистивной пленки, способа нанесения пленки на подложку, способа получения необходимой конфигурации. Номинальное значение сопротивления R iопределяется по формуле Ri=0 ℓ/SRк , (1) или, учитывая, что, как правило, Ri >Rк, Ri=0 ℓ/bd, (2) где 0 – удельное объемное сопротивление резистивного материала; ℓ, b, d – длина, ширина, и толщина резистивной пленки ; S = bd – площадь поперечного сечения пленки; Rк – переходное сопротивление областей контактов резистивной и проводящей контактной пленок. Для каждого материала в микроэлектронике отношение ρs=ρ0/d - величина постоянная, которая является удельным поверхностным сопротивлением квадратной резистивной пленки и не зависит от размеров квадрата. Размерность величины ρs составляет [Ом/см]. Значения s для различных материалов резистивной пленки приведены в таблице 2. В этом случае выражение (2): Ri = sКф, (3) где Кф = ℓ/b – коэффициент формы резистора. Для получения резисторов с различными значениями номиналов Ri можно использовать один и тот же материал резистивной пленки, изменяя параметр Кф. Допуск на номинал Ri определяется относительным изменением (относительной погрешностью) Ri = γRi = ΔRi/Ri сопротивления Ri, вызванным относительными технологическими погрешностями изготовления и дестабилизирующими факторами: Ri = ΔRi /Ri = γRi = γρs + γКф, (4) где ΔRi- абсолютная погрешность воспроизведения номинала Ri; γρs=Δρs/ρs - относительная погрешность воспроизведения ρs ; Δρs - абсолютная погрешность воспроизведения ρs; γКф= Δℓ/ℓ +Δb/b - относительная погрешность коэффициента формы Кф; Δℓ и Δb – абсолютные погрешности воспроизведения длины и ширины резистора соответственно. В реальных условиях эксплуатации величина δRi зависит также от температурной погрешности γRт, погрешности γRк переходных сопротивлений областей контактов и погрешности γстR, которая определяется коэффициентом старения КстR и характеризует временную нестабильность Ri: γRi = γs + γКф + γRт + γRк + γстR. (5) Формулы для расчета приведенных в выражении (5) величин приведены ниже. Воспроизведение значений ρs, ℓ , b , которые определяют погрешность резистора, осуществляется при взаимно независимых технологических операциях и сопряжено с их случайными отклонениями в результате неточностей при технологических операциях и отклонениями геометрических размеров используемых масок и фотошаблонов. Мощность рассеяния PRi резистором определяется удельной мощностью рассеяния P0 материала резистивной пленки, которая является для данного материала постоянной величиной и имеет размерность [Вт/см2 ] (см. таблицу 2), и площадью SRi, занимаемой резистором: PRi = P0SRi = P0ℓb Ui2/ Ri , (6) где Ui – напряжение на резисторе. Чтобы параметры пленочного резистора удовлетворяли исходным электрическим данным, необходимо, чтобы выполнялось условие PRi. Рi, где Рi – заданная мощность рассеяния i-го сопротивления в исходной электрической схеме (см. таблицу1). Температурный коэффициент сопротивления ТКR = Ri описывает температурные изменения сопротивления резистора при изменении температуры. Он имеет размерность [1/град] и определяется по формуле Ri ΔRi/Ri(Tн )(T–Tн) = γRт ∕ ( T –Tн). (7) Из (7) следует, что относительная температурная погрешность γRт = ΔRi/Ri(T) определяется выражением γRт = αRi ΔT, (8) где ΔT=TTн. Коэффициент старения КстR характеризует временную нестабильность сопротивления R(t) и определяется по формуле КстR = γстR/Δt, (9) где Δt – время эксплуатации. За время эксплуатации Δt относительное изменение сопротивления составляет γстR = КстRΔt (10) Для уменьшения площади SRi, занимаемой резистором, необходимо увеличивать Кф за счет уменьшения ширины b резистивной пленки. Минимальное значение bmin ограничено технологическими ограничениями, поэтому при b = bmin номинальное значение Ri достигается за счет увеличения длины ℓ. Для прямоугольных резисторов максимальная длина ℓ ограничена величиной Кф = 10, а для резисторов с Кф> 10 применяются конфигурации сложной формы. Производится расчет коэффициента формы Кф для определения степени сложности геометрической конфигурации резисторов. Расчет основывается на исходных данных, приведенных в таблице 1. Величина Кф с учетом численных значений номинала Ri и s [Ом/мм], которое выбирается из таблицы 2, рассчитывается по формуле Кф = Ri/s . (11) Возможны два случая, когда Кф 10 и Кф>10. В первом случае осуществляется расчет резисторов прямоугольной конфигурации (см. рис. 2), во втором - сложной геометрической формы типа «меандр» (см. рис. 3). На рис. 3 изображен “меандр”, состоящий из пяти Г-образных звеньев, и введены следующие обозначения: t = b + a – период ( шаг) звеньев; b – ширина резистивной пленки; а – расстояние между резистивными полосками; А и В - габаритные размеры “меандра” вдоль осей X и Y соответственно. Методика расчета резисторов прямоугольной формы с 1 Кф 10: Расчет ширины bр резистора осуществляется по формуле bp = , (12) где Рi – мощность рассеяния резистора; Р0 – удельная мощность рассеяния материала пленки резистора (берется из таблицы 2). Определяется расчетная ширина bрасч резистора Контактная 2е 4е площадка зв. зв. Y b X b В ℓ t a 3e 5e Контактная 1-е зв зв площадка зв А Рис.2. Рис.3. bрасч max{bтехн , bточн , bp}, (13) где bтехн – величина, обусловленная технологическими ограничениями (см. п. 2.2.2); bточн = [b+(ℓ/Kф)]/Кф доп , (14) где Кф доп - допустимая погрешность коэффициента формы резистора, которая определяется из выражения (5): Кф доп = γRi γs γстR γRт γRк , (15) где Ri = Ri- погрешность номинала Ri берется из исходных данных (см. таблицы 1); s = 0,02 (2%) - погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления; Rк = 0,01…0,02 (1…2 %); стR- рассчитывается по формуле (4.10), в которую подставляется величина t из исходных данных (см. таблицу 1) и КстR из таблицы 2; Rт – рассчитывается по формуле (4.8), в которую величины интервала температур и Ri ( ТКR) подставляются соответственно из таблиц 1 и 2; b = ℓ – погрешности, вызванные точностью изготовления геометрических контуров пленки, которые при масочном методе изготовления составляют 10 мкм. Расчет длины ℓрасч. резистивной пленки. ℓрасч. = bрасч.Кф (16) Расчет полной длины ℓполн. длины резистора. ℓполн. = ℓрасч. + 2e, (17) где е – размер перекрытия резистивной пленки с контактной площадкой, который обусловлен технологическими ограничениями (см. п. 2.2.2), например, при изготовлении резисторов масочным способом еmin = 200 мкм. Определение площади SRi резистора. SRi = ℓполн. bрасч. , (18) где bрасч. и ℓполн..– рассчитываются по формулам (13) и (17) соответственно. Расчет мощности РRi. рассеяния резистором. РRi = SR iP0 , (19) где Р0 – удельная мощность рассеяния материала резистивной пленки, значение которой берется из таблицы 2. Определение коэффициента запаса КЗ по мощности рассеяния. КЗ = PRi/Pi . (20) Если КЗ 1, то следует выбрать другой материал резистивной пленки с большим значением Р0 или увеличить ширину bрасч. резистора на 10…25%. Методика расчета тонкопленочных резисторов с Кф<1 аналогична предыдущей. Отличие состоит в том, что вместо ширины b резистора сначала определяется расчетное значение длины ℓрасч., которое рассчитывается так же, как и bрасч., из условия (13), где вместо b подставляется ℓ. Величина ℓтехн имеет тот же смысл, что и bтехн. Значения ℓp и ℓточн рассчитываются по формулам соответственно (12) и (14) с заменой b на ℓ. Далее определяется ширина bрасч. резистора по формуле bрасч. = ℓрасч / Kф. (21) Методика расчета остальных параметров SRi , PRi и КЗ такая же, как и в предыдущем случае для 1 Кф 10. Расчет тонкопленочных резисторов с Кф>10 сложной конфигурации типа “меандр”. Геометрическая конфигурация меандра, состоящего из Г- образных звеньев, изображена на рис. 3. Расчет Кф и bрасч. осуществляется по формулам (11) - (15). Определение оптимального числа 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 a = bрасч.. В этом случае nопт.= . (22) Расчет шага t одного звена меандра. Величина t рассчитывается по формуле t = a + bрасч. = 2bрасч. . (23) Определение габаритного размера А. Значение А рассчитывается по формуле A = B = t nопт. = 2bрасч.nопт. . (24) Расчет уточненного габаритного размера B=B0. Необходимость корректировки размера B вызвана следующими причинами. Величина B получена в предположении, что общая длина ℓ резистивной пленки, свернутой в виде меандра и обеспечивающей достижение номинала сопротивления Ri , равна длине вытянутой прямолинейной полоски, т.е. ℓ = bрасч.Кф. На самом деле, при свертывании прямолинейной полоски в меандр общее сопротивление резистивной пленки увеличивается из-за увеличения сопротивления Rи 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 B, оставляя неизменными ширину bрасч. резистивной пленки и размер А. Уточненное значение размера B0 определяется по следующей формуле: B0 = B – bрасч.[(mи Rи /ρsnопт.) - 2], (25) где B=A – рассчитывается по формуле (24); mи = 2nопт.- 1 – число прямоугольных изгибов; Rи= 2,55ρs – сопротивление одного прямоугольного изгиба. Расчет длины ℓм резистивной пленки меандра. ℓм = nопт.(B0 + bрасч.), (26) где bрасч., nопт. и B0 – рассчитываются соответственно по формулам (13), (22) и (25). Определение полной длины резистивной пленки. ℓполн. = ℓм + 2e, (27) где e – размер перекрытия контактной площадкой резистивной пленки выбирается из технологических ограничений (см. п. 2.2.2). Расчет габаритной площади Sг , занимаемой меандром. Sг = AB0 . (28) Определение площади SRi резистивной пленки. SRi = ℓполн. bрасч. . (29) Мощность рассеяния PRi резистором. PRi = SRiP0, (30) где P0 – удельная мощность рассеяния резистивной пленки (см. таблицу 2). Определение коэффициента КЗ запаса по мощности. КЗ = РRi/ Pi . (31) Если в результате расчета величина КЗ 1, то следует воспользоваться рекомендациями, которые были даны для резисторов прямоугольной формы. Определение общей площади резисторов ИМС. Общая площадь SRI резисторов, расположенных на подложке ИМС, рассчитывается по формуле I SRI = ∑ SRi, (32) i =1 где I – количество резисторов на подложке. 1> |