Розрахунок тонкоплівкової технології нанесення резисторів на базі ОП К140УД6

Содержание

Вступ

1. Аналіз завдання

2. Вибір і техніко-економічне обґрунтування збільшеного технологічного процесу

3. Вибір матеріалу

4. Розрахунок і обґрунтування конструкцій плівкових елементів

5. Розрахунок і обґрунтування розмірів плати

6. Розробка топології

Висновок

Список літератури

Вступ

Сучасний етап розвитку радіоелектроніки характеризується широким використанням інтегральних мікросхем в усіх радіотехнічних системах і апаратурі. Це пов’язано зі значним ускладненням вимог і задач які вирішуються РЕА, що призвело до росту числа елементів в ній. В цих вимогах важливого значення набувають проблеми підвищення надійності апаратури та її елементів і мікромініатюризації радіокомпонентів та самої апаратури. Ці проблеми успішно вирішуються із застосуванням мікроелектроніки. Мікроелектроніка - це розділ електроніки який охоплює дослідження та розробку якісно нового типу електронних апаратів, інженерних мікросхем та принципів їх використання.

Мікроелектроніка характеризується тим, що замість виготовлення окремих радіодеталей, з яких будується радіотехнічний пристрій чи апаратура, виготовляють окремі функціональні вузли-мікросхеми. Формування інтегральної схеми в мікрооб`ємі твердого тіла здійснюється за рахунок використання досліджень фізики твердого тіла та електронного електробладнання на основі якісно-нової технології.

Існує два основних методи створення інтегральних мікросхем:

метод локального впливу на мікроділянки твердого тіла;

метод виникнення схем в твердому тілі завдяки нанесенню тонких плівок різних матеріалів на спільну основу з одночасним формуванням з них мікроелементів та їх з’єднань (плівкові ІМС).

Гібридна інтегральна схема - це мікросхема, яка являє собою комбінацію плівкових пасивних елементів, та дискретних активних компонентів, розташованих на спільній діелектричній підкладці.

резистор гібридна мікросхема плівковий

1. Аналіз завдання

Основна задача даної курсової роботи полягає в розробці конструкції інтегральної мікросхеми і технологічного напрямку її виробництва згідно із заданою у технічному завданні принциповою електричною схемою.

Об’єкт проектування - гібридна мікросхема. В порівнянні із напівпровідниковими інтегральними схемами, гібридні мікросхеми, із погляду виробника, мають ряд переваг:

забезпечують широкий діапазон номіналів;

менші межі допусків і кращі електричні характеристики пасивних елементів.

В якості навісних компонентів в ГІС використовуються - мініатюрні дискретні конденсатори, резистори, котушки індуктивності, дроселі, трансформатори.

В даному завданні навісними компонентами є транзистори.

Наявність певного числа контактних зварних з’єднань обумовлює меншу надійність ГІС у порівнянні із напівпровідниковою ІС. Проте можливість проведення попередніх іспитів і відбору активних і пасивних навісних компонентів дозволяє створити ГІС і мікрозбірки достатньо високої надійності.

В даній курсовій роботі об’єктом проектування є електронний підсилювач К140УД6, який містить в собі 20 резисторів, 1 конденсатор та 27 транзисторів.

Вихідні дані наведені в таблиці 1

Таблиця 1

Технологія виготовлення даної мікросхеми - тонкоплівкова.

2. Вибір і техніко-економічне обґрунтування збільшеного технологічного процесу

Для формування конфігурації провідникового, резистивного та діелектричного шарів використовують різні методи: масковий (відповідні матеріали напилюють на підкладку через з`ємні маски), фотолітографічний (плівку наносять на всю поверхню підкладки, після чого витравлюють певні ділянки), електропроменевий, лазерний.

Провідне місце в технології виготовлення масок зберігає фотолітографія. Цей метод дозволяє отримати конфігурацію елементів будь-якої складності і має більшу точність у порівнянні з масковим методом, однак він більш складний, так як містить в собі ряд прецензійних операцій. Метод фотолітографії використовують при виготовленні топологічно-складних структур чи одночасно великої кількості елементів. Цей метод дозволяє формувати плівкові резистори з контактними площадками та з`єднаннями які знаходяться всередині схеми.

Існує два методи фотолітографії: одиночна та подвійна фотолітографія.

Одиночна фотолітографія може використовуватися при електролітичному осаді електропровідних матеріалів. Але цей метод неможна застосовувати для створення багатошарових конструкцій гібридних схем.

Метод подвійної фотолітографії рекомендується використовувати при виробництві плівкових мікросхем, які містять у собі провідники та резистори з двох різних (високоомного та низькоомного) резистивних матеріалів.

Взагалі фотоліграфічний метод використовують у масовому виробництві. Досягнена точність виготовлення резисторів цим методом сягає 1%. Таким чином враховуючи те, що дана мікросхема містить низько - та високоомні резистори, для її виготовлення обираємо метод подвійної фотолітографії.

В технічному ж напиленні процес випаровування й осадження можна контролювати лише змінюючи температуру (яка змінюється впродовж деякого відрізку часу).

3. Вибір матеріалу

Параметри тонкоплівкових резисторів визначаються властивостями використовуваних резистивних матеріалів, товщиною резистивної плівки та умовами її формування. Так як проектована мікросхема містить у собі низькоомні та високоомні резистори, то для її реалізації поділимо резистори на дві групи так, щоб першої групи було менше  другої групи.

Для кожної групи резисторів окремо окремо обираємо матеріал.

Для першої групи: R1=7500Ом=1500Ом=1000Ом=500Ом=4000Ом=500Ом=1500Ом=1000Ом=7500Ом=620Ом=3300Ом=3000Ом=1000Ом

До другої групи: R5=40кОм=56кОм=56кОм=40кОм

До третьої групи: R18=50Ом=30Ом=50Ом

Для кожної групи визначаємо оптимальне з погляду мінімуму площі, що займають резистори ГІС, опір квадрата резистивної плівки за формулою:

 (1)

де  - номінал і-го резистора;- число резисторів.

Для I-ї групи резисторів обираємо матеріал - Сплав РС-3001

з .

Для II-ї групи резисторів обираємо матеріал - Сплав РС-3710 (ЕТО.021.034 ТУ) з

.

Для IIІ-ї групи резисторів обираємо матеріал - Ніхром, дріт (ДСТ 8803-58) з .

Для виготовлення контактних площадок та провідників у якості матеріалу було вибрано золото Зл999.9 (ДСТ 7222-54) з підшаром ніхрому Х20Н80 (ДСТ 2238-58).

Метал для підкладки обирають сітал, тому що він має добру оброблюваність і здатність витримувати різні перепади температури, високий електричний опір.

Температурний коефіцієнт опору матеріалу резистивних плівок

Сплав РС-3001 - a_R = - 2*10^-4 С^-1

Сплав РС-3710 - a_R = - 3*10^-4 С^-1

Ніхром, дріт - a_R = 2,25*10^-4 С^-1

Перевіримо правильність вибору матеріалів з погляду точності виготовлення резисторів.

Повна відносна похибка виготовлення плівкового резистору  складається із суми похибок:

 (2)

де ,  - похибка коефіцієнта форми і відтворення питомого поверхневого опору  резистивної плівки відповідно;

 - температурна похибка;

 - похибка, обумовлена старінням плівки;

 - похибка перехідних опорів контактів.

Звідси знаходимо допустиму похибку коефіцієнта форми, враховуючи що значення похибки перехідних опорів контактів дуже мале і ним можна знехтувати:

 (3)

Похибка відтворення питомого поверхневого опору в умовах серійного виробництва її значення не перевищує 2%. =0,02

Температурну похибку знаходимо за формулою:

= aR· () (4)

) = - 2*10^-4 * 100 = - 2*10^-2 = - 0,02

) = - 3*10^-4 * 100 = - 3*10^-2 = - 0,03

) = 2,25*10^-4 * 100 = 2,25*10^-2 = 0,0225

= 10 - 2+2 - 1 - 2 = 7% = 0,07> 0

= 10 - 2+3 - 1 - 2 = 8% = 0,08> 0

= 10 - 2-2,25 - 1 - 2 = 2,75% = 0,0275> 0

Параметри обраного матеріалу для підкладки:

клас частоти обробки поверхні - 13…14;

температурний коефіцієнт лінійного розширення

при Т = 20…3000С - (50  2) 10^-1;

коефіцієнт теплопровідності - 1,5 Вт/м*с;

діелектрична проникність при f = 10^-6 i T = 200C - 5…8,5;

тангенс кута діелектричних втрат - 20*10^-4.

4. Розрахунок і обґрунтування конструкцій плівкових елементів

Визначимо коефіцієнт форми для резисторів I, II та ІІІ груп і тип резистора (в залежності від К_ф):

при 1 < К_ф < 10 - розрахунок резистора прямокутної форми типу "смужка", у якого довжина l більша ширини b;

при 10 < К_ф < 50 - розрахунок резистора складної форми: складовий із смужок або меандр;

при 0,1 < К_ф < 1 - розрахунок резистора прямокутної форми типу "смужка", у якого довжина l менша ширини b;

 - резистор типу "смужка" (l > b);

 - резистор типу "смужка" (l < b);

 - резистор типу "смужка" (l < b);

 - резистор типу "смужка" (l < b);

 - резистор типу "смужка" (l > b);

 - резистор типу "смужка" (l < b);

 - резистор типу "смужка" (l < b);

 - резистор типу "смужка" (l < b);

 - резистор типу "смужка" (l > b);

 - резистор типу "смужка" (l < b);

 - резистор типу "смужка" (l > b);

 - резистор типу "смужка" (l > b);

 - резистор типу "смужка" (l < b);

 - резистор типу "смужка" (l > b);

 - резистор типу "смужка" (l > b);

 - резистор типу "смужка" (l > b);

 - резистор типу "смужка" (l > b);

 - резистор типу "смужка" (l > b);

 - резистор типу "смужка" (l < b);

 - резистор типу "смужка" (l > b);

Розрахунок резисторів прямокутної форми 1< К_ф < 10

Для резисторів з 1 < К_ф < 10 визначаємо мінімальну ширину резистора використовуючи умову

 (6)

де b_тех - мінімальне значення ширини резистора, обумовлене технологічними можливостями виготовлення; b_точн - мінімальне значення ширини резистора, що забезпечує задану точність виготовлення; b_потуж - мінімальне значення ширини резистора, що забезпечує задану потужність розсіювання._точн знаходимо за формулою:

 (7)

де Δb, Δl - похибки ширини і довжини, що залежать від методу виготовлення. У даному випадку Δb = Δl = 0,01 мм; К_ф - коефіцієнт форми;

 - допустима похибка коефіцієнта форми.

Мінімальне значення ширини резистора b_потуж розраховується за формулою

 (8)

За ширину резистора b приймаємо значення_R1 = 0,25 мм;_R5 = 0,55 мм;_R6 = 0,5 мм;_R10 = 0,25 мм;_R12 = 0,5 мм;_R13 = 0,5 мм;_R14 = 0,25 мм;_R15 = 0,25 мм;_R16 = 0,55 мм;_R18 = 0,8 мм;_R20 = 0,5 мм;

Визначимо розрахункову довжину l_розр за формулою

 (9)

Розрахуємо площу, що займається резистором на площадці.

Для перевірки знайдемо дійсну питому потужність і похибку резистора. Резистор спроектований задовільно якщо:

питома потужність розсіювання  не перевищує припустимого значення

 < 2*10^-3

         похибка коефіцієнта форми  не підвищує припустимого значення

сумарна похибка  не перевищує допуску = 0,1

Розрахунок резисторів прямокутної форми 0,1£ К_ф < 1

Спочатку визначаємо довжину  резистора, а потім ширину .

Розрахункове значення довжини резистора

_розр ³ max{l_тех, l_точн, l_потуж}, (5)

де l_тех - мінімальне значення довжини резистора, умовлене технологічними можливостями виробництва;_точн - мінімальне значення довжини резистора, що забезпечує задану точність виготовлення;_потуж - мінімальне значення довжини резистора, що забезпечує задану потужність розсіювання.

Для тонкоплівкової технології l = 0,01мм

Мінімальне значення довжини резистора l_точн знаходять за формулою:

. (6)

Мінімальне значення довжини резистора l_потуж розраховуємо за формулою:

Тепер виберемо максимальне значення довжини по формулі (5)_розрR2=0,55 (мм)_розрR3=0,3 (мм)_розрR4=0,3 (мм)_розрR7=0,3 (мм)_розрR8=0,55 (мм)_розрR9=0,3 (мм)_розрR11=0,4 (мм)_розрR17=0,3 (мм)_розрR19=0,65 (мм)

Знайдемо ширину резисторів:

, (8)

; ;

; ;

; ;

; .

Площа резисторів, яку резистори займають на підкладці:

= l_повн b, (9)_R2 = 0,55 * 0,75 = 0,4125 (мм²);_R3 = 0,3 * 0,6 = 0,18 (мм²);_R4 = 0,3 * 1,2 = 0,36 (мм²);_R7 = 0,3 * 1,2 = 0,36 (мм²);_R8 = 0,55 * 0,75 = 0,4125 (мм²);_R9 = 0,3 * 0,6 = 0,18 (мм²);_R11 = 0,4 * 1,3 = 0,52 (мм²);_R17 = 0,3 * 0,6 = 0,18 (мм²)._R19 = 0,65 * 1,1 = 0,715 (мм²)

Для перевірки знайдемо дійсну питому потужність і похибку резистора. Резистор спроектований задовільно якщо:

питома потужність розсіювання  не перевищує припустимого значення

 < 2*10^-3

похибка коефіцієнта форми  не підвищує припустимого

значення

сумарна похибка  не перевищує допуску = 0,1

Висновок: отже в данному розділі ми визначили розміри плівкових елементів і виконали перевірку розрахунків, яка показала, що данні розрахунки вірні.

5. Розрахунок і обґрунтування розмірів плати

Площу плати, необхідну для розміщення топологічної тури ІС, визначають, виходячи з того, що корисна площа плати, що займається елементами, компонентами і контактними площадками, дещо менше її загальної площі, що обумовлено технологічними вимогами й обмеженнями. З цією метою приймають коефіцієнт використання плати К_S, значення якого в залежності від складності схеми і засобу її виготовлення становить 2.3.

Загальна площа плати:

, (10)

де n₁ - кількість плівкових резисторів;

 - площа i-го резистора;₂ - кількість плівкових конденсаторів;

-площа j-го конденсатора;₃ - кількість компонентів (навісних транзисторів, ІС, конденсаторів, діодів, резисторів, трансформаторів тощо);

-площа r-го компонента;₄ - кількість контактних площадок;

-площа l-ої контактної площадки.

Обчислимо площу підложки.

Сумарна площа, яку займають транзистори одного елементу, обчислюється за формулою:

 (10)

де  - кількість транзисторів;

- розміри основи транзистору, м.

S_Т = 27*0,5 * 0,5 = 6,75 (мм²);

Сумарна площа, яку займають резистори одного елементу, обчислюється за формулою:

 (11)

де  - номер резистору;

_R = 0,2375+0,4125+0,5+0,2375+0,475+0,475+0,1+0,1+

,4125+0,64+0,64+

+0,4125+0,18+0,36+0,36+0,4125+0,18+0,52+0,18+0,715=7,55 (мм²);

Елемент має 2 входи та 3 виходи. Крім того, потрібна шина "+5В" та загальна шина. Отже ГІС буде мати 2+3+2=7 виводів. Отже маємо стандартну кількість виводів - 8. Кількість контактних площадок дорівнює

n_кп=8+3*n_т=8+3*27=89 (шт)

Сумарна площа, яку займають контактні площадки, обчислюється за формулою:

 (12)

де  - кількість контактних площадок;

 - розміри контактної площадки, м.

S_кп=89*0,4*0,4=14,24 (мм²)

Площа підложки дорівнює:

 (13)

де К - коефіцієнт запасу, як правило, К = 3.

S=3* (6,75+7,55+14,24) =85,62 (мм²)

Розраховану площу плати заокруглюють до площі найближчої з рекомендованого ряду, що дозволяє орієнтовно визначити конструктивні ознаки корпуса ІС, за якими вибирають його типорозмір з числа нормалізованих.

Остаточно розміри плати встановлюють після проектування топологічної структури - на етапі розробки конструкції ІС.

Виходячи з розрахунку площі підложки 85,62 (мм²), орієнтовно виберемо типорозмір плати №15. Його площа дорівнює:

 (14),

де a - довжина плати;- ширина плати.

Топологічне креслення ГІС наведені у додатку

6. Розробка топології

Спроектована топологія повинна:

) відповідати принциповій електричній схемі;

) задовольняти всі запропоновані конструктивні вимоги;

) задовольняти всі технологічні вимоги і обмеження, обумовлені методом виготовлення;

) забезпечувати можливість експериментальної перевірки електричних параметрів елементів схеми;

) задовольняти усі висунуті електричні вимоги;

) розташувати елементи на платі так, щоб забезпечити нормальну роботу схеми при заданому конструктивному виконанні і при заданих зовнішніх кліматичних впливах;

) складатися таким чином, щоб для виготовлення мікросхеми застосовувалась найбільш проста і дешева технологія;

) забезпечувати, по можливості, максимальне використання площі.

Розробку топології проводимо з урахуванням виконаних раніше розрахунків плівкових елементів у чотири етапи:

) Розробка комунікаційної схеми, тобто схеми взаємного розміщення елементів, компонентів та їхніх з’єднань на платі без урахування розмірів.

) Розміщення і вибір форми плівкових елементів на платі, а також виконання трасування.

) Оцінка якості топології і при необхідності її корегування.

) Відпрацьовування ескізів прошарків.

Загальні принципи для всіх етапів проектування топологічної структури:

мінімізація площі, що займається елементами, компонентами і схемою в цілому;

мінімізація числа перетинань між елементами з’єднань;

рівномірне розташування елементів і компонентів за площею;

мінімізація числа використовуваних матеріалів для реалізації плівкових елементів;

підвищення ступенів інтеграції елементів і технологічних процесів.

Висновок

Отже, після проведення розрахунків, вибору матеріалів тощо була розроблена топологія гібридної інтегральної мікросхеми К140УД6 (операційного підсилювача), а також маршрут їх виробництва відповідно до заданого технічного завдання принципової електричної схеми. Отримали навики по веденню конструктивно-технічній документації, а також закріпили знання з області мікроелектроніки та проектування мікросхем.

Список літератури

1. Конструирование и технология микросхем. Курсовое проектирование. /Под ред. Л.А. Коледова. - М.: Высш. школа, 1984. - 231 с.

. Пономарев М.Ф., Коноплев Б.Г. Конструирование и расчет микросхем и микропроцессоров: Учебное пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1986. - 176 с.

. Методичні вказівки до курсового проектування з дисциплін "Основи мікроелектроніки”, "Основи нано - та мікроелектроніки”. О.В. Андріянов, В.А. Мокрицький, - Одеса: "Наука і техніка”, 2007. - 64 с.

. Разработка и оформление конструкторской документации РЭА: Справочное пособие/ Э.Т. Романычева, А.К. Иванова, А.С. Куликов, Т.П. Новикова. - М.: Радио и связь, 1984. - 256 с.