Курсовая микроэлектроника. Первое высшее техническое учебное заведение россии санктпетербургский горный университет Кафедра электронных систем

• Название: Первое высшее техническое учебное заведение россии санктпетербургский горный университет Кафедра электронных систем
• Анкор: Курсовая микроэлектроника
• Дата: 22.10.2022
• Размер: 0.68 Mb.
• Имя файла: Mikroelektronika_-KURSOVOI_774_PROEKT.doc
• Тип: Протокол; #748340
• страница: 4 из 4

3.3.3. Расчет пленочных проводников

и контактных площадок ИМС
Основное назначение пленочных проводников и контактных площадок в пленочных и гибридных ИМС – соединение между собой пленочных элементов и компонентов микросхемы в соответствии с электрической схемой. Контактные площадки представляют собой переходы, которые используются для присоединения элементов микросхемы к проводникам и внешним выводам. Расчеты проводников и контактных площадок осуществляются, исходя из основных требований обеспечения:

• 
  минимальных искажений электрических сигналов, передаваемых между элементами и компонентами ИМС;
  
• 
  минимальных электрических потерь и помех;
  
• 
  максимальной надежности.
  

Эти требования обеспечиваются соответствующим выбором:

• 
  материалов с низким удельным поверхностным сопротивлением _s и с высокой адгезией к подложке;
  
• 
  минимальной длины и площади контактных площадок с целью уменьшения собственного сопротивления, паразитной емкости и индуктивности.
  

Расчет проводников и контактных площадок сводится к определению геометрических размеров - необходимой длины, ширины проводников и размеров контактных площадок с учетом разработанной коммутационной схемы соединений ИМС, а также технологических требований и ограничений. Причем следует исходить из основного требования - обеспечения минимальной площади, занимаемой на подложке проводниками и контактами при компактном размещении элементов и компонентов ИМС.

Расчеты проводников и контактных площадок рекомендуется проводить по следующей методике.

Выбор материала проводников и контактных площадок. Для обеспечения высокой технологичности при производстве ИМС пленочные проводники и контактные площадки изготавливаются из одних и тех же материалов. Эти материалы и их параметры приведены в таблицах 2 и 5.

Определение геометрических параметров соединительных проводников.

Длина ℓ_iпр i-го проводника, соединенного с резистором номиналом R_i, определяется, исходя из условия
R_iпр = _sпрℓ_iпр / b_iпр  R_пр.доп = (0,1…0,2)R_iR_i, (62)

где _sпр - удельное поверхностное сопротивление материала проводника; b_iпр – ширина проводника; R_i - отклонение от номинала R_i, заданное в исходных данных (см. таблицу 1).

Из (62) получаем

ℓ_iпр (0,1…0,2)b_iпрR_i R_i /_sпр . (63)

Ширина b_iпр i-го проводника задается, исходя из условия, что b_iпр не более ширины резистивной пленки b_расч (см. формулу (13)) и соответствует технологическим ограничениям b_техн , т.е.

b_iпр = max {b_расч. , b_техн.}. (64)

Расчет габаритной площади S_iпр i-го проводника производится по следующим формулам.

Для проводника прямоугольной формы

S_iпр = ℓ_iпр b_iпр . (65)

Для проводника сложной формы, состоящего из отдельных прямоугольных участков:

_M

S_iпр = ∑ S_iпрm, (66)

^m=1

где M –число прямоугольных участков.

Общая габаритная площадь S_Jпр всех проводников на подложке ИМС определяется по формуле

_J

S_Jпр = ∑ S_jпр, (67)

^j=1

где J – число проводников на подложке, соединяющих через контактные площадки элементы, компоненты и отдельные контактные площадки.

Расчет геометрических размеров контактных площадок.

В пленочных и гибридных ИМС контактные площадки служат для обеспечения двух типов контактных переходов:

• 
  “низкоомная проводящая пленка – низкоомная проводящая пленка”, т.е. контакт “проводник-проводник”,
  
• 
  “резистивная пленка - низкоомная проводящая пленка”.
  

К первому виду контактов относятся контакты типа “контактная площадка – обкладка конденсатора”, “ проводник - контактная площадка – проводник”.

Для первого типа контактов выбор длины ℓ_пл и ширины b_пл контактных площадок осуществляется, исходя из технологических ограничений и требований п. 2.2.2.

Для второго типа контактов величина b_iпл (i – номер контактной площадки, соединенной с i-м резистором) выбирается с учетом технологических ограничений при совмещении разных слоев (см. п. 2.2.2), а ℓ_iпл ирассчитывается, исходя из условия

R_iпл  _Rк R_i/2, (68)

где R_i и R_iпл – номиналы сопротивления i-го резистора и сопротивление i-й контактной площадки соответственно; _Rк - погрешность переходного сопротивления области контакта “резистор - контактная площадка”, которая составляет _Rк  2 % (см. исходные данные в таблице 1).

Используя формулу

R_iпл = _sпл ℓ_iпл / b_iпл , (69)

где _sпл = _sпр., получим из (68) соотношение для определения ℓ_iпл.:

ℓ_iпл. b_iпл. _Rк R_i/_sпр2. (70)

С учетом технологических ограничений (см. п. 4.2.2.2) ℓ_iпл. выбирается из условия

ℓ_техн.  ℓ_iпл.  b_iпл. _Rк R_i/_sпр2. (71)

Общая площадь S_Qпл., занимаемая на подложке контактными площадками, рассчитывается по формуле

_Q

S_Qпл = ∑ S_qпл , (72)

^q=1



где Q – количество контактных площадок.

3.4. Выбор типоразмера подложки ИМС
Выбор типоразмера подложки производится по следующей методике.

Осуществляется расчет общей площади S_ , занимаемой пленочными элементами, проводниками и контактными площадками:

S_= S_RI + S_CG + S_Jпр + S_Qпл , (73)

где S_RI, S_CG, S_Jпр и S_Qпл – общие площади резисторов, конденсаторов, проводников и контактных площадок, которые рассчитываются по формулам (32), (61), (67), (72) соответственно.

Определяется необходимая площадь S_п подложки:

S_п = S_/k_s, (74)

где k_s = (0,4…0,6) – выбираемый коэффициент использования подложки.

Выбирается из таблицы 7 ближайший типоразмер подложки по данным расчета (73) и (74).

3.5. Разработка топологии ИМС
Исходные данные и требования к топологии ИМС:

Разработка топологии включает в себя компоновку элементов ИМС на подложке и разработку топологического чертежа ИМС в увеличенном масштабе. Исходными данными для разработки топологии являются:

1. 
   разработанная коммутационная схема соединений – преобразованная электрическая схема ИМС;
   
2. 
   рассчитанные геометрические размеры пленочных элементов (резиcторов, конденсаторов, проводников и контактных площадок);
   
3. 
   размеры подложки, платы и тип корпуса ИМС.
   
4. 
   технологические, электрические (схемотехнические), эксплуатационные и конструктивные данные, требования и ограничения.
   

К разработанной топологии предъявляются следующие основные требования. Она должна:

1. 
   соответствовать заданной электрической схеме;
   
2. 
   удовлетворять технологическим, электрическим, эксплуатационным и конструктивным требованиям;
   
3. 
   обеспечивать возможности индивидуального контроля над каждым элементом ИМС;
   
4. 
   обеспечивать при эксплуатации необходимый уровень надежности и изоляционной защиты элементов ИМС от внешних физико-химических воздействий.
   

При разработке топологии следует руководствоваться следующими указаниями.

1. 
   Топологический чертеж ИМС вычерчивается на миллиметровой бумаге в масштабе 10:1 или 20:1 и должен включать в себя:
   

• 
  поле подложки с указанием на чертеже ее геометрических размеров;
  
• 
  размещенные на площади подложки все пленочные элементы и компоненты, которые должны иметь прямоугольную форму.
  

2. 
   Элементы и компоненты размещаются в соответствии с разработанной коммутационной схемой соединений последовательно – параллельным методом вычерчивания, начиная с группы элементов, расположенных в одном из углов платы, причем грани элементов и компонентов располагаются вдоль осей координатной сетки.
   
3. 
   Размещение элементов и компонентов ИМС осуществляется с требованием экономичного использования площади подложки (платы) с соблюдением конструктивных и технологических допусков по минимально допустимым размерам между элементами, компонентами и краями подложки (платы).
   
4. 
   Все элементы и компоненты ИМС должны быть снабжены контактными площадками, расположение и размеры которых должны удовлетворять конструктивно-технологическим ограничениям и требованиям.
   
5. 
   На топологическом чертеже микросборки должен быть размещен ключ, представляющий собой увеличенную контактную площадку, расположенную в левом нижнем углу на большей стороне платы.
   
6. 
   Составленный чертеж топологии ИМС должен иметь условную раскраску или штриховку элементов ИМС, причем одинаковые элементы должны иметь одинаковую условную раскраску (штриховку), которая расшифровывается в списке условных обозначений, прилагаемых к топологическому чертежу ИМС .
   
7. 
   В завершении разработки топологии должен быть выбран, в соответствии с эксплуатационными требованиями, материал защитного слоя ИМС и произведено проектирование его геометрической конфигурации. Материал защитного слоя выбирается из таблицы 6.
   

4. Разработка технологии изготовления ИМС
После разработки топологии пленочной ИМС осуществляется разработка технологии изготовления ИМС, которая основывается на технологических процессах нанесения пленок, указанных в таблицах 2 и 3. Типовые процессы тонкопленочной технологии основаны на вакуумных и электрохимических методах нанесения пленок, а также формировании топологического рисунка на подложке ИМС. Необходимая конфигурация пленочных элементов формируется в результате использования следующих наиболее распространенных методов:

• 
  съемной (свободной) и контактной маски,
  
• 
  фотолитографии,
  
• 
  комбинированного метода, основанного на одновременном использовании двух предыдущих способов.
  

Комбинированный метод основан на использовании принципов масочного и фотолитографического методов.

В этом методе масочный способ применяется для изготовления пленочных конденсаторов, а фотолитография используется для формирования конфигурации резисторов, проводников и контактных площадок. Наибольшее распространение комбинированный метод нашел для изготовления пленочных и гибридных ИМС, в которых используются пленочные резисторы, конденсаторы, проводники и контактные площадки.

Типовой технологический процесс данного метода состоит из следующих технологических циклов:

1. 
   первый цикл - напыление на ситалловую подложку, например СТ 50-1, первого сплошного резистивного слоя;
   
2. 
   второй цикл - нанесение поверх первого слоя второго слоя материала проводников и контактных площадок;
   
3. 
   третий цикл – первая фотолитография для формирования конфигурации проводников и контактных площадок;
   
4. 
   четвертый цикл – вторая фотолитография для формирования пленочных резисторов;
   
5. 
   пятый цикл - используется метод съемной маски в непрерывном вакуумном процессе напыления нижних обкладок конденсаторов, диэлектрика конденсаторов, верхних обкладок конденсаторов, а также формируется через соответствующую съемную маску защитный диэлектрический слой ИМС.
   

Возможен также и шестой технологический цикл, если защитный слой формируется не методом съемной маски, а с помощью фотолитографии после нанесения на сформированные пленочные элементы ИМС сплошного защитного слоя.

На этапе разработки технологии изготовления микросборки исполнитель должен руководствоваться следующими методическими указаниями.

1. 
   Выбрать подложку МСБ (см. таблицу 4), например СТ50-1, а также из указанных выше технологических методов выбрать необходимый метод изготовления микросборки с использованием технологических способов нанесения пленок материалов, указанных в варианте работы (см. таблицах 1, 2, 3, 5).
   
2. 
   Описать технологические процессы нанесения тонкопленочных слоев и технологические циклы послойного формирования топологической конфигурации микросборки:
   

• 
  резистивный слой,
  

• 
  слой проводников и контактных площадок,
  

• 
  слои обкладок и диэлектрика конденсаторов,
  

• 
  защитный слой.
  

Последовательность формирования слоев по п. 2 описывается в соответствии с выбранным методом в п.1. При этом каждый из технологических циклов должен быть проиллюстрирован эскизами соответствующих масок и полученными соответственно на подложке топологическими рисунками нанесенных пленочных слоев (резистивный слой, слой проводников и т. д). Эскизы должны быть выполнены на миллиметровой бумаге в масштабе 10:1 или 20:1. Примеры иллюстрации технологических циклов формирования тонкопленочного резистора R₁ приведены на рис. 5 и 6.


R₁


Резистивная Резистивная Резист пленка

Маска МС1 Подложка

Рис.5. Нанесение резистивного слоя


R₁



Контактная площадка



Маска МС2 Подложка

Рис.6. Нанесение слоя контактных площадок

На рис. 5 представлен первый технологический цикл - нанесение резистивного слоя. Второй цикл нанесения слоя контактных площадок показан на рис. 6.

3. 
   Конфигурация маски защитного слоя должна быть выполнена таким образом, чтобы контактные площадки микросборки, предназначенные для внешних соединений (контактов), были свободными от материала защитного слоя.
   

5. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО СТРУКТУРЕ, ОФОРМЛЕНИЮ И ПРЕДСТАВЛЕНИЮ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

Курсовой проект оформляется на стандартных машинописных листах - средствами текстового процессора Microsoft Word. Используемый размер бумаги – А4 (210_{ }297).

Стиль основного текста: шрифт набора – Times New Roman, размер шрифта 14 кегль, обычный, межстрочный интервал – 1,5 строки.

Страницы следует нумеровать арабскими цифрами, соблюдая сквозную нумерацию по всему тесту, включая приложения. Номера страниц на титульном листе и на листе с заданием не проставляются, но включаются в общую нумерацию.

Курсовой проект передается исполнителем на проверку руководителю, который после защиты проекта выставляет соответствующую оценку.


Библиографический список

1. 
   Ефимов, И.Е. Основы микроэлектроники / Ефимов И.Е., Козырь И.Я. - СПб.: Лань, 2008.
   
2. 
   Коваленко, А.А. Основы микроэлектроники: учеб. пособие для вузов. / А.А. Коваленко, М.Д. Петропавловский.- М.: Академия, 2006.- 238 с.
   
3. 
   Пасынков, В.В., Материалы электронной техники: учебник для студентов вузов по спец-ти электронной техники/В.В. Пасынков, В.С. Сорокин. – СПб.: Лань, 2003.
   
4. 
   Степаненко, И.П. Основы микроэлектроники: учеб. пособие для вузов/ И.П. Степаненко.- М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003.
   

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………..……..3

1. Задание на курсовую работу ………………………………..………4

2. Исходные данные……………………………………………….……4

2.1. Схема микросборки, электрические и

эксплуатационные данные, используемые материалы………………5

2.2. Технологические требования и ограничения…………………….6

2.2.1. Методы пленочной технологии и

характеристики материалов…………………………………………...6

2.2.2. Основные ограничения, накладываемые

тонкопленочной технологией…………………………………………6

2.2.3. Основные ограничения в толстопленочной технологии……..17

2.3. Конструктивные данные и требования………………………….18

3. Принципы проектирования пленочных ИМС…………………….20

3.1. Этапы и принципы проектирования…………………………….20

3.2. Разработка коммутационной схемы соединений………………20

3.3.Расчет геометрических размеров и выбор

формы пленочных элементов ИМС………………………………….21

3.3.1. Расчет пленочных резисторов…………………………………21

3.3.2. Расчет пленочных конденсаторов……………………………...30

3.3.3.Расчет пленочных проводников

и контактных площадок ИМС ………………………………………..39

3.4. Выбор типоразмера подложки ИМС…………………………….42

3.5. Разработка топологии ИМС……………………………..……….43

4. Разработка технологии изготовления ИМС……………..………..45

5. Методические указания по структуре,.

оформлению и представлению курсового проекта ………………...48

Библиографический список…………………………………………...49

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА


Методические указания по курсовому проектированию

для студентов бакалавриата направления 201000

Составитель: И.И. РАСТВОРОВА
Печатается с оригинал-макета, подготовленного кафедрой

электронных систем

Ответственный за выпуск И.И. Растворова
Лицензия ИД № 06517 от 09.01.2002
Подписано к печати 14.02.2013. Формат 6084/16.

Усл. печ. л. 8,8. Усл.кр.-отт. 8,8. Уч.-изд.л. 8. Тираж 100 экз. Заказ 119. С 51.
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

РИЦ Национального минерально-сырьевого университета «Горный»

Адрес университета и РИЦ: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, 2