Автор: Коледов Л.А.
Теги: электротехника радиоаппаратура (радиоэлектронная аппаратура) микросхемы электроника
Год: 1984
Текст
Конструирование и технология микросхем
учебное пособие для вузов
Конструирование и технология микросхем
Курсовое проектирование
Под редакцией д-ра техн, наук, проф. Л. А. Коледова
Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по специальностям «Конструирование и производство радиоаппаратуры» и «Конструирование и производство электронно-вычислительной аппаратуры»
Scanned by yowetfrilczo^
ББК 32.844 К 65
УДК 621.38
।
1
Л. А. Коледов, В. А. Волков, Н. И. Докучаев, Э. М. Ильина, Н. И. Патрик
Рецензенты:
кафедра «Технология производства радиоэлектронной аппаратуры» Московского авиационного института (зав. кафедрой —
проф. Б. Ф. Высоцкий); проф. М. Ф. Пономарев (Таганрогский
радиотехнический институт)
Конструирование и технология микросхем. Курсовое К65 проектирование: Учеб, пособие для вузов по спец. «Конструирование и производство радиоаппаратуры» и «Конструирование и производство электронно-вычислительной аппаратуры» /Коледов Л. А., Волков В. А., Докучаев Н. И. и др.; Под ред. Л. А. Коледова. — М/. Высш, шк., 1984. 231 с., ил.
В пер.: 70 к.
В книге приведены данные об элементах и компонентах, материалах и технологии производства, конструктивно-технологических ограничениях и правилах разработки топологии интегральных микросхем; рассмотрены методы обеспечения их надежности, влагостойкости, тепловых режимов и др.
„ 2403000000—411 ББК 32.844
К ~ ----136-84 6Ф0.3
В соответствии с Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1981 —1985 годы и на период до 1990 года на одиннадцатую пятилетку и последующие годы намечено сохранить высокие темпы развития микроэлектроники, как наиболее прогрессивного направления электронной техники, которое будет 'Принимать на себя решение новых, все более сложных и разнообразных задач. Успехи микроэлектроники оказывают революционизирующее воздействие на многие отрасли народного хозяйства: приборостроение, радиоаппаратостроение, машиностроение, автомобильный и железнодорожный транспорт и др. Расширение областей ппименения микроэлектроники, ее использование в производственных процессах, в сфере бытового обслуживания потребует новых разработок элементной базы микроэлектронной аппаратуры различного назначения. В этих условиях важнейшей задачей является всемерное повышение качества подготовки специалистов в области микроэлектроники.
Данная книга предназначена для студентов специальностей «Конструирование и производство радиоаппаратуры», «Конструирование и производство электронно-вычислительной аппаратуры». Она будет полезна также студентам смежных специальностей электронной и вычислительной техники, приборостроения и автоматики при изучении курсов по основам микроэлектроники.
Пособие содержит данные, необходимые для самостоятельного выполнения студентами курсового проекта по разработке топологии и конструкции одного из типов интегральных микросхем: полупроводниковых (на биполярных или полевых транзисторах) и гибридных (по тонкопленочной или толстопленочной технологии).
Для каждого типа ИМС в пособии имеются сведения о технологических процессах, технологических ограничениях (возможностях), свойствах и характеристиках используемых материалов, последовательности действия при разработке конструкции ИМС и методах расчетов. Кроме того, оно снабжено методическими указаниями о том, как использовать имеющиеся сведения, чтобы получить окончательный результат и проверить правильность разработки.
Ввиду ограниченности времени, отводимого на курсовое проектирование (40—60 ч самостоятельной внеаудиторной работы), и сложности разработки пособие рассчитано на то, что проектируемыми объектами будут в основном микросхемы второй степени интеграции. Но принципы разработки конструкций ИААС более высоких степеней интеграции остаются теми же. Меняется лишь объем вычислительных операций и появляется необходимость в исполь-
зовании машинных средств для поиска оптимальных вариантов конструкции.
Для экономии времени при выполнении курсового проекта и привития навыков работы с вычислительной техникой в учебном пособии приводятся алгоритмы и программы расчетов некоторых элементов ИМС на ЭВМ, а также сведения о возможностях существующей специализированной системы автоматизированного про-, ектирования ИМС.
Пособие состоит из трех частей. Первая часть посвящена технологии и конструированию полупроводниковых интегральных микросхем на биполярных и униполярных транзисторах. Во второй части рассматриваются вопросы конструирования гибридных пленочных интегральных микросхем с использованием технологии тонких и толстых пленок. Материал по технологии производства полупроводниковых и гибридных ИМС приводится лишь в объеме, требуемом для понимания и обоснования технологических ограничений при конструировании. В третьей части представлен материал, относящийся к оформлению конструкций полупроводниковых и гибридных микросхем, конструктивному обеспечению требований к интегральным микросхемам, оговоренных в технических условиях. Особое внимание уделено расчетам и обеспечению теплового режима, защиты от климатических воздействий. Рассматриваются вопросы оформления технической документации на ИМС, приводятся примеры ее оформления.
В основу пособия положен многолетний опыт проведения курсового проектирования ИМС на кафедре микроэлектроники Московского института электронной техники.
Предисловие и введение написаны Л. А. Коледовым, глава 1 — Л. А. Коледовым и И. И. Патриком, глава 2 — И. И. Докучаевым, главы 3 и 4— Л. А. Коледовым и Э. М. Ильиной, глава 5 — Л. А. Коледовым и В. А. Волковым, глава 6 — Э. М. Ильиной, Приложения— Л. А. Коледовым, Э. М. Ильиной, И. И. Патриком.
Авторы выражают искреннюю благодарность профессорам Б. Ф. Высоцкому, А. И. Коробову, М. Ф. Пономареву за ценные замечания и советы, высказанные ими при рецензировании рукописи пособия и способствовавшие улучшению его содержания. Они признательны председателю Научно-методического совета по технологии, конструированию и производству радио- и электронно-вычислительной аппаратуры проф. В. Б. Пестрякову за постоянное внимание к изданию книги. Авторы благодарят также коллектив преподавателей и сотрудников кафедры микроэлектроники МИЭТ за полезные советы и помощь при написании и подготовке данного пособия.
Все замечания и пожелания, которые могут возникнуть при изучении и практическом использовании данного пособия, просим направлять по адресу: 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., д. 29/14, издательство «Высшая школа».
ВВЕДЕНИЕ
Интегральная микросхема (ИМС)—это конструктивно законченное изделие электронной техники, выполняющее определенную функцию преобразования информации и содержащее совокупность электрически связанных между собой электрорадиоэлементов (ЭРЭ), изготовленных в едином технологическом цикле.
Термин «интегральная микросхема» отражает: объединение значительного числа транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов и соединяющих проводников в единую конструкцию (конструктивная интеграция); выполнение схемой функций преобразования информации, более сложных по сравнению с функциями отдельных ЭРЭ (схемотехническая интеграция); выполнение в едином технологическом цикле одновременно всех ЭРЭ схемы и межсоединений и одновременное формирование групповым методом большого числа одинаковых ИМС (техноло« гическая интеграция).
По способу изготовления различают полупроводниковые и пленочные ИМС. В полупроводниковых ИМС все ЭРЭ и часть межсоединений сформированы в приповерхностном слое полупроводниковой (обычно кремниевой) подложки. В пленочных ИМС пассивные ЭРЭ изготовлены в виде совокупности тонких (менее 1 мкм) или толстых (10—50 мкм) пленок, нанесенных на диэлектрическую подложку. Гибридные ИМС (ГИС) представляют собой комбинацию пленочных пассивных ЭРЭ с миниатюрными бескорпусными дискретными активными приборами (полупроводниковыми ИМС, транзисторами, диодами), расположенных на общей диэлектрической подложке. ЭРЭ, которые являются неотъемлемой составной частью ИМС и не могут быть выделены из нее как самостоятельное изделие, называют элементами ИМС, а дискретные активные ЭРЭ ГИС—навесными компонентами (или просто компонентами), подчеркивая тем самым, что их изготовляют отдельно в виде самостоятельных приборов, которые могут быть приобретены изготовителем ГИС как покупные изделия. В отличие от дискретных компонентов элементы ИМС называют интегральными (интегральный резистор, интегральный диод).
В совмещенных. ИМС активные ЭРЭ выполнены в приповерхностном слое полупроводникового кристалла (как у полупроводниковой ИМС), а пассивные нанесены в виде пленок на покрытую диэлектриком поверхность того же кристалла (как у пленочной ИМС).
Перечислим особенности ИМС как нового типа изделий электронной техники:
а) ИМС самостоятельно выполняет законченную, часто довольно сложную функцию. Она может (быть усилителем, запоминающим устройством, генератором, детектором и т. д. Ни один из ЭРЭ самостоятельно таких функций выполнять не может, для этого его следует соединить с другими дискретными ЭРЭ по отдельной схеме;
б) выпуск и применение ИМС сопровождаются существенным уменьшением массы, габаритов и стоимости радиоэлектронной аппаратуры, снижением потребляемой мощности и повышением надежности;
в) элементы ИМС располагаются в пределах одной подложки на сравнительно небольших расстояниях друг от друга и формируются одновременно; это обусловливает малый технологический разброс их параметров. Особенно высока точность выполнения соотношения параметров нескольких элементов (например, отношения сопротивлений). Эта точность сохраняется при изменении температуры окружающей среды, так как все элементы ИМС работают практически при одной температуре и термические коэффициенты параметров элементов одной и той же ИМС приблизительно одинаковы. Эту особенность ИМС часто используют при создании устройств, мало чувствительных .к влиянию технологического разброса параметров элементов и к изменению температуры;
г) при разработке полупроводниковых ИМС стремятся выбрать схемные решения с минимальным числом пассивных элементов. Резисторы и конденсаторы занимают значительную площадь ИМС, технологические возможности создания этих элементов с достаточной точностью в широком диапазоне номиналов ограничены.
Обозначения ИМС.. Каждый конструктивно-технологический вариант (группа) интегральных микросхем согласно ОСТ 11.073.915—80 имеет следующие обозначения: 1, 5, 6, 7 — полупроводниковые, 2, 4, 8 — гибридные, 3 — пленочные и некоторые другие ИМС (например, вакуумные, керамические). По функциональному назначению ИМС подразделяют на подгруппы (Г — генераторы, Д — детекторы, К — коммутаторы и ключи, Л — логические элементы, М — модуляторы, Н — наборы элементов, И — преобразователи сигналов, Е — схемы источников вторичного питания, Б — схемы задержки, С — схемы сравнения, Т — триггеры, У — усилители, Ф — фильтры, А — формирователи импульсов, Р — схемы запоминающих устройств, И — схемы цифровых устройств, В — схемы вычислительных средств, Ц — фоточувствительные схемы с зарядовой связью, X — многофункциональные схемы). В пределах каждой подгруппы ИМС подразделяют на виды, каждому виду присвоена определенная буква; таким образом, сочетание двух букв в обозначении ИМС характеризует ее вид и подгруппу (например, ГС — генераторы гармонических сигналов, ЛИ — логические элементы, И, ИР — наборы резисторов, УВ — усилители высокой частоты, ВМ — микропроцессоры, BE — микро-ЭВМ, ВУ — схемы микропрограммного управления, ВТ — микрокалькуляторы и др.).
Обозначение интегральной микросхемы состоит из следующих элементов: первый элемент —цифра, означающая группу, второй элемент — три цифры (от ООО до 999) или две цифры (от 00 до 99), означающие порядковый номер разработки серии ИМС, третий элемент — две буквы, означающие подгруппу и вид ИМС, четвертый элемент — условный номер разработки ИМС по функциональному признаку в данной серии. Интегральные микросхемы выпускаются в состава серии, т. е. в совокупности нескольких видов ИМС, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенных для совместного применения в аппаратуре. Два первых элемента обозначения ИМС относятся к обозначению серии (т. е. оно содержит от трех до четырех цифр). Например, ИМС синхронизации микропроцессорного комплекта серии 1800 с порядковым номером 2 ее разработки в данной серии (по функциональному признаку) имеет обозначение 1800ВБ2, ИМС логического элемента И — НЕ, открывающего перечень схем широко распространенной серии 133, — обозначение 133ЛА1.
При необходимости разработчик ИМС имеет право в конце условного обозначения дополнительно указывать буквы (от А до Я, кроме букв 3, М, О, Т, Ш, 6
П, Ч, Ы, Ъ), характеризующие отличие ИМС одного вида по электрический характеристикам. При маркировке эта буква может быть заменена цветной точкой.
Для ИМ.С, используемых в устройствах широкого применения, в начале обозначения добавляют букву К: К1800ВБ1, К133ЛА1.
Для бескорпусных ИМС в состав обозначения вводят дополнительно два элемента: букву Б в начале обозначения и цифру (от 1 до 6) — в конце. Цифра характеризует конструктивное исполнение бескорпусных ИМС: 1 — с гибкими выводами; 2 — с ленточными (паучковыми) выводами и выводами, выполненными на диэлектрической (в том числе полиимидной) пленке; 3 — с жесткими (шариковыми или столбиковыми) выводами; 4 — на общей подложке или пластине, не разделенные друг от друга; 5 — то же, что и 4, но разделенные без потери ориентации (например, наклеенные на пленке); 6 — кристаллы с контактными площадками без выводов. Например, Б106ЛБ1А-1 — полупроводниковая ИМС серии Б106-1 (логический элемент И — НЕ/ИЛИ — НЕ) в бескорпусном исполнении с гибкими выводами.
При переводе серии микросхем для исполнения в более дешевом пластмассовом корпусе в начале обозначения ставят букву Р. Например, при переводе микросхем серии 140 в металлостеклянном корпусе на пластмассовый корпус 201.14-1 серию стали обозначать Р140. ИМС операционного усилителя, входящего в эту серию, имеет обозначение Р140УД1А.
Для обозначения ИМС повышенного качества перед цифровым обозначением серии указывают буквы ОС (а при их малом выпуске — буквы ОСМ).
Для микросхем, поставляемых на экспорт (шаг выводов 1,27 или 2,54 мм), в начале обозначения добавляют букву Э. Например, полупроводниковая логическая ИМС серии К1500 (логический элемент И — НЕ) в экспортном исполнении имеет обозначение ЭК.1500ЛА1.
Цель, задачи и методика выполнения курсового проекта. Задачей выполнения курсового проекта (КП) является разработка конструкции ИМС и технологического маршрута ее производства в соответствии с заданной в техническом задании (ТЗ) принципиальной электрической схемой. Конструктивно-технологический вариант изготовления ИМС выбирается студентом в результате анализа задания на КП или задается руководителем проекта.
Целью работы над курсовым проектом является приобретение практических навыков решения инженерной задачи создания конкретного микроэлектронного изделия, а также закрепление, углубление и обобщение теоретических знаний, приобретенных на предыдущих этапах обучения в вузе.
Основные этапы выполнения курсового проекта:
этап I — анализ технического задания с целью выявления сути, оценки объема и плана предстоящей работы;
этап II — выбор технологии изготовления ИМС исходя из анализа технического задания (функции, выполняемой ИМС, масштабов производства, условий эксплуатации). Особое внимание при этом необходимо обратить на технологические ограничения, что облегчит последующую работу по конструированию элементов ИМС, выбору компонентов и разработке конструкции ИМС в целом;
этап III — расчет элементов и выбор компонентов ИМС согласно принципиальной электрической схеме с учетом технологических ограничений;
этап IV — разработка топологии и выбор корпуса ИМС. Разработку эскиза топологии ИМС и последующих вариантов топологии проводят согласно правилам проектирования, изложенным в
гл. i — 4 дЛЯ различных конструктивно-технологических типов ИМС. Выбор корпуса ИМС производят из числа унифицированных , конструкций (см. гл. 5) по следующим исходным данным: размеру кристалла полупроводниковой ИМС или платы ГИС и числу внешних выводов ИМС (числу контактных площадок внешних выводов на топологии И/VIC); герметичности корпуса и условиям эксплуатации (последние данные указываются в ТЗ). Площадь и размеры монтажной площадки должны соответствовать размерам кристалла или платы либо несколько превосходить их, число выводов корпуса и их рядность также должны соответствовать топологии ИМС;
этап V—проверка качества разработки топологии и конструкции ИМС. Методика проверки правильности разработки топологии ИМС различных типов приведена в гл. 1—4. Дополнительно для оценки качества разработки проводят расчеты паразитных связей и параметров, тепловой расчет, расчет влагозащиты (см. гл. 5);
этап VI — корректировка или переработка топологии либо конструкции ИМС. Поправки в топологию -и конструкцию вводят, если проверка качества и проверочные расчеты дают на это основания;
этап VII — оформление расчетно-пояснительной записки. Она должна содержать обоснование выбранного конструкторского и технологического решения в виде сравнительной оценки этого решения с другими возможными вариантами, показ преимуществ принятого инженерного решения с точки зрения эффективности производства, качества и стоимости. Пояснительная записка должна выполняться на листах писчей или линованной бумаги формата 11, необходимые иллюстрации и чертежи должны быть выполнены на миллиметровой бумаге формата 11 или большего формата.
Объем пояснительной записки без учета чертежей и графиков должен составлять примерно 30—40 страниц рукописного текста. Она должна содержать: титульный лист, оглавление, техническое задание, подписанное руководителем, описание принципа действия проектируемой ИМС, выбор и обоснование конструктивно-техноло- ‘I гического варианта производства ИМС, описание технологии со | структурной схемой процесса, расчет конструктивных и электрических параметров элементов ИМС, эскиз топологии ИМС на миллиметровой бумаге, проверочные расчеты и скорректированный при необходимости вариант топологии, исследовательскую часть (выдается по усмотрению руководителя проекта), выводы, список использованной литературы и ГОСТов, приложения (маршрутную или операционные карты технологического процесса);
этап VIII — оформление конструкторской документации на ИМС. Ее объем составляет 2—3 листа формата 24. Чертежи следует выполнять в соответствии в ЕСКД карандашом или тушью. Они должны содержать как минимум следующую информацию: электрическую схему ИМС, топологический чертеж ИМС, сборочный чертеж ИМС, структурную схему технологического процесса. Другая информация выносится на чертежи по указанию руководителя проекта. На чертежах и пояснительной записке должна стоять лич
ная подпись студента, удостоверяющая самостоятельность выполнения проекта и ответственность за принятые решения;
этап IX — подготовка в защите курсового проекта. На этом этапе проводится работа по составлению короткого (8—10 мин) доклада о наиболее существенных результатах курсового проектирования, подготовке к обоснованию и защите принятых инженерных решений, подготовке ответов на возможные вопросы членов комиссии по приемке КП.
Организация и руководство курсовым проектом. Курсовой проект по курсу «Конструирование и технология микросхем» выполняют с использованием одного из четырех наиболее распространенных вариантов конструктивно-технологического исполнения интегральных микросхем: полупроводникового на биполярных транзисторах, полупроводникового на МДП-транзисторах, гибридного тонкопленочного и гибридного толстопленочного. В связи с этим техническое задание на проект должно содержать необходимое и достаточное количество сведений, опираясь на которые студент должен самостоятельно обосновать и выбрать способ изготовления ИМС. Однако, учитывая раннее (за 2—3 года) распределение студентов на места работы, заказную систему подготовки специалистов для того или иного предприятия или объединения, кафедры и руководители проектов могут уже в ТЗ определять технологию производства ИМС с учетом специфики будущей работы молодого специалиста. Типовое ТЗ на разработку конструкции ИМС должно содержать: электрическую схему ИМС с указанием номиналов и характеристик элементов и компонентов, кратким описанием реализуемой функции и необходимыми характеристиками входных и выходных сигналов, а также назначение, серийность производства, условия эксплуатации ИМС и рекомендуемую литературу.
Разнообразие функционального назначения ИМС, вариантов их конструктивно-технологического исполнения позволяет выдать каждому студенту индивидуальное задание на проект.
Задание на проект должно быть подписано руководителем, датировано и зарегистрировано в журнале учета КП кафедры.
Руководство курсовым проектированием начинается с выдачи ТЗ на проект. Индивидуальная беседа руководителя со студентом по заданию является необходимым условием успеха дальнейшей работы, так как позволяет выявить степень подготовленности студента, отметить отдельные, наиболее ответственные этапы КП, уточнить график его выполнения.
Большое организующее значение на первых этапах курсового проектирования имеет вводная лекция по КП, прочитанная лектором курса, в которой разъясняются роль этого вида учебной работы для подготовки специалиста, уровень требований к занятиям, сущность выданных заданий и пути их реализации.
В процессе выполнения КП кафедра и руководитель проекта проводят групповые и индивидуальные консультации. Как правило, групповые консультации проводятся по расписанию и не должны переходить в лекции. На этих консультациях необходимо давать
конкретные указания по устранению встретившихся затруднений, проводить разбор решений типовых задач, встречающихся при выполнении КП, анализировать типовые ошибки, выполнять наиболее трудные расчеты. Индивидуальные консультации должны проводиться регулярно 1—2 раза в неделю. Главная их цель — контроль за ходом и правильностью выполнения КП, выявление допущенных ошибок, помощь студенту в нахождении правильного пути решения вопроса.
Как групповые, так и индивидуальные консультации не должны превращаться в репетиторство, в натаскивание студента. Они должны помогать развитию'самостоятельности в инженерной деятельности, навыков планомерной, продуманной, ответственной работы. В процессе консультирования руководитель не-должен давать студенту готовых решений, а лишь развивать его творческие способности, умение анализировать варианты технических решений, осознавать допущенные ошибки и находить пути к их исправлению. Эту работу следует проводить, опираясь на конкретные материалы, расчеты, эскизы, варианты технических решений, предъявляемые студентом консультанту. Иными словами, руководитель должен строить свою индивидуальную работу со студентом, исходя из его самостоятельных проработок после того, как появилась уверенность, что студент достаточно хорошо ознакомился с материалом, понял его сущность.
После завершения работы руководитель тщательно проверяет проект и, если он удовлетворяет всем требованиям к КП, допускает проект к защите, делая соответствующие надписи на чертежах и в записке с проставлением предварительной оценки.
Защита курсового проекта. Защита является особой формой проверки выполнения курсового проекта. Эта процедура должна приучить будущего инженера к публичной защите принятых им технических решений.
Защита включает короткий доклад (8—10 мин) студента по теме проекта перед назначаемой кафедрой комиссией преподавателей из двух-трех человек и ответы на вопросы, задаваемые членами комиссии. Студент при защите должен дать объяснения по существу проекта, проявить достаточный уровень теоретической подготовки и умение применить ее при решении конкретной задачи.
Результаты защиты оцениваются отметкой по четырехбалльной •системе. Студент, не выполнивший и не представивший КП в установленный срок или не защитивший его по неуважительной причине, считается имеющим академическую задолженность.
Курсовые проекты, содержащие оригинальные обоснованные решения, новые теоретические, технологические и конструкторские проработки и предложения по практической их реализации, выдвигаются на конкурс курсовых проектов, городские и республиканские смотры студенческих работ, а проекты, имеющие наибольшую научную и практическую ценность, — на всесоюзный конкурс научных работ «Студент и научно-технический прогресс».
Часть I
КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Глава 1
КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИМС НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
§ 1.1. Элементы полупроводниковых ИМС на биполярных транзисторах
Транзисторы типа п-р-п. Биполярный транзистор типа п-р-п является основным схемным элементом полупроводниковых ИМС. Он обладает лучшими характеристиками, чем транзистор типа р-п-р, а технология его изготовления более проста. Остальные элементы ИМС выбирают и конструируют таким образом, чтобы они совмещались со структурой транзистора типа п-р-п. Их изготовляют одновременно с транзистором типа п-р-п на основе какой-либо из его областей. Таким образом, выбор физической структуры транзистора типа п-р-п определяет основные электрические параметры остальных элементов микросхемы.
Наиболее широкое распространение получила транзисторная структура типа п+-р-п со скрытым подколлекторным п+-слоем (рис. 1.1). Следует обратить внимание на то, что вывод коллектора интегрального транзистора расположен на поверхности прибора. Это увеличивает сопротивление тела коллектора и ухудшает характеристики транзистора в усилительном режиме (ухудшается частотная храктеристика) и в переключающем режиме (уменьшается эффективность переключения в режиме насыщения). Увеличение степени легирования всего объема коллекторной области и уменьшение ее удельного сопротивления
снижают пробивное напряжение перехода коллектор — база и увеличивают емкость этого перехода, т. е. также ухудшают характеристики транзистора. Компромиссным решением проблемы является создание скрытого высоколегированного п+-слоя на границе коллектора и подложки. Этот слой обеспечивает низкоомный
Рис. 1.1. Конструкция интегрального транзистора типа п+-р-п
путь току от активной коллекторной зоны к коллекторному контакту без снижения пробивного напряжения перехода .коллектор — база. Конструктивно он располагается непосредственно под всей базовой областью и простирается вплоть до дальней от базы стороны коллекторного контакта. Толщина слоя составляет 2,5—10 мкм, удельное поверхностное сопротивление ps= 10-т-ЗО Ом/П.
Рабочая зона транзистора начинается непосредственно под эмит-терной зоной, и для обеспечения требуемого коллекторного тока при минимальном последовательном падении напряжения коллекторный контакт располагают как можно ближе к эмиттерному. Минимальные горизонтальные размеры прибора определяются двумя
Рис. 1.2. Конструкция биполярных интегральных транзисторов: а — асимметричная; б — симметричная
основными технологическими факторами: минимально достижимыми при фотолитографии размерами окон .в окисле кремния и зазоров между окнами, а также размером боковой диффузии под окисел. Поэтому при проектировании транзистора следует учитывать, что расстояние между базовой областью и коллекторным контактом должно быть значительно больше суммы размеров боковой диффузии p-базы и п+-области под коллекторным контактом. Назначение этой п+-области состоит в обеспечении надежного формирования невыпрямляющего контакта алюминия к слаболегированной н-области коллектора, поскольку алюминий является акцепторной примесью в кремнии с растворимостью порядка 1018 атомов/см3 при температуре формирования контакта. Уровень же легирования эпитаксиального n-слоя, составляющего тело коллектора, равен 1015—1016 атомов/см3. Как отмечалось, он.диктуется необходимостью увеличения напряжения пробоя перехода коллектор — база.
Расстояния между изолирующей p-областью и элементами транзистора определяются также размером боковой диффузии. Они должны быть примерно равны толщине элит аксиального слоя.
Две типичные конструкции интегральных транзисторов показаны на рис. 1.2. Для асимметричной конструкции (рис. 1.1, 1.2, а). 12
характерно то, что коллекторный ток протекает к эмиттеру только в одном направлении. При симметричной конструкции (рис. 1.2, б) коллекторный ток подходит к эмиттеру с трех сторон и сопротивление коллектора оказывается примерно втрое меньше, чем при асимметричной конструкции. Для симметричной конструкции транзистора облегчается разработка топологии металлической разводки, так как в ней часть .коллекторной области можно разместить под окислом, а поверх окисла над коллектором провести алюминиевую полоску к эмиттерной (рис. 1.2, б) или базовой области. На рис. 1.2, а даны топологические размеры областей интегрального биполярного транзистора, типичные для ИМС средней степени интеграции. Параметры этих областей приведены в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Параметры областей интегрального транзистора типа п-р- п
Наименование области Концентрация примеси /V, см-3 Толщина слоя d, мкм Удельное объемное сопротивление материала р, Ом .см Удельное поверхностное сопротивление слоя р^, Ом/О
Подложка р-типа 1,5-1015 200—400 10 —
Скрытый «+-СЛОЙ — 2,5—10 — 10—30
Коллекторная «-область 1016 2,5—10 0,15—5,0 ——
Базовая р-область 5-Ю18 1,5—2,5 — 100—300
Эмиттерная п+-область 1021 0,5—2,0 2—15
Изолирующая область — 3,5—12 —— 6—10
Пленка окисла кремния — 0,3—0,6 — —
Металлическая пленка — 0,6—1,0 1,7-10~в 0,06—0,1
(алюминий)
Примечание: .V—объемная концентрация примеси для подложки и коллекторной области и поверхностная концентрация примеси для эмиттерной и базовой областей.
При больших токах существенную роль играет эффект вытеснения тока эмиттера, который объясняется достаточно просто. Напряжение в любой точке эмиттерного перехода представляет собой разность внешнего напряжения и падения напряжения в объеме базы, т. е. напряжение в центральной части эмиттера меньше напряжения у его краев, и внешние области эмиттера работают при больших плотностях тока по сравнению с внутренними. Повышенная плотность тока у краев эмиттера приводит к повышенным рекомбинационным потерям носителей заряда в этих областях и к уменьшению коэффициента усиления транзистора В. Конструкция мощных транзисторов должна обеспечивать максимальное отношение периметра эмиттера к его площади. Например, целесообразно использовать узкие эмиттеры с большим периметром (рис. 1.3). Параметры интегральных транзисторов типа п-р-п приведены в табл. 1.2.
Рассмотрим разновидности интегральных биполярных транзи-
Транзисторы с тонкой базой. 1ранзисторы с тонкой базой обладают повышенными значениями коэффициента усиления В и необходимы для создания ряда аналоговых ИМС (входные каскады операционных усилителей). У этих транзисторов ширина ба-
Рис. 1.3. Конструкция мощного транзистора (вид сверху):
] — эмиттерная область; 2 — область базы; 3 — область изоляции; 4— коллекторная область
Рис. 1.4. Конструкция много-эмиттерного транзистора
Таблица 1.2
Параметры интегральных транзисторов типа п-р-п
Параметры Номинал Допуск 5, % Температурный коэффициент, 1/°С
Коэффициент усиления В 100—200 ±30 5-Ю-3
Предельная частота А, МГц 200—500 ±20
Пробивное напряжение 17Кб, В 40—50 ±30
Пробивное напряжение £7Эб, В 7—8 ±5 (2—6)-10-’
зы (расстояние между эмиттерными и коллекторными переходами) w = 0,24-0,3 мкм, коэффициент усиления 5 = 20004-5000 при коллекторном токе /к = 20 мкА и уровне напряжения (7кэ = 0,5 В. Пробивное напряжение коллектор —эмиттер около 1,5—2 В.
Многоэмиттерные транзисторы (МЭТ). Конструкция МЭТ, широко используемых в цифровых ИМС транзисторно-транзисторной логики, приведена на рис. 1.4. Число эмиттеров может быть равным 5—8. МЭТ можно рассматривать как совокупность транзисторов с общими базами и коллекторами. При их конструировании необходимо учитывать следующие обстоятельства.
Для подавления действия паразитных горизонтальных и+-р-и+-транзисторов расстояние между краями соседних эмиттеров должно превышать диффузионную длину носителей заряда в базовом 14
слое. Если структура легирована золотом, то диффузионная длина не превышает 2—3 мкм и указанное расстояние достаточно сделать равным 10—15 мкм.
Для уменьшения паразитных токов через эмиттеры при инверсном включении МЭТ искусственно увеличивают сопротивление пассивной области базы, удаляя базовый контакт от активной области тран- б зистора, чтобы сопротивление перешей-ка, соединяющего базовый контакт с ly -zzzy п yi
базовой областью, составило 200— Г 1- - ~£~!
300 Ом.
Многоколлекторные транзисторы (МКТ). МКТ —этопрак- Рис- Конструкция много-„ „ хдса-г - коллекторного транзистора
тически МЭГ, используемый в инверс-ном режиме: общим эмиттером является эпитаксиальный слой, а коллекторами—п+-области малых размеров (рис. 1.5). Такая структура является основой ИМС интегральной инжекционной логики (И2Л). Главной проблемой при конструировании МКТ является обеспечение достаточно высокого коэффициента усиления в расчете на один коллектор, для чего скрытый п+-слой необходимо располагать как можно ближе к базовому слою, а п+-коллекторы— как можно ближе друг к другу.
Транзисторы типа р-п-р. Интегральные транзисторы типа p-n-р существенно уступают транзисторам типа п-р-п по коэффициенту усиления и предельной частоте. Для их изготовления используют стандартную технологию, оптимизированную для формирования транзистора типа п+-р-п. Естественно, что получение транзисторов типа р-п-р с близкими к теоретическим пределам параметрами в этом случае невозможно.
Горизонтальные транзисторы типа р-п-р. В настоящее время эти транзисторы используют в ИМС наиболее часто (рис. 1.6). Их изготовляют одновременно с транзисторами типа п+-р-п по обычной технологии. Эмиттерный и коллекторный слои получают на этапе базовой диффузии, причем коллекторный слой охватывает эмиттер со всех сторон. Базовая область формируется на основе эпитаксиального слоя с подлегированием контактной области во время эмиттерной диффузии. Перенос носителей заряда в транзисторе типа р-п-р происходит в горизонтальном направлении. Дырки, инжектированные из боковых частей эмиттера в базу, диффундируют к коллекторной области. Перенос наиболее эффективен в приповерхностной области, так как здесь расстояние w между коллектором и эмиттером минимально и, кроме того, наиболее высокая концентрация примеси в p-слоях. Ширину базы w удается выполнить равной 3—4 мкм (мешает боковая диффузия под маску), в результате чего коэффициент усиления оказывается равным 50, а /т —20-4-40 МГц. Без особого труда получают w = 6-4-12 мкм, но при этом В = 1,5-4-20, а /т —2-4-5 МГц. Для подавления действия паразитных р-/г-р-транзисторов (р—эмиттер, п—эпитаксиальный слой, р — подложка) стремятся уменьшить площадь донной части эмит-
тер a слой
(его делают возможно более узким), используют скрытый и+-вдоль границы эпитаксиального слоя и подложки. На основе
горизонтального транзистора легко сформировать многоколлекторный транзистор типа р-п-р (рис. 1.7).
Рис. 1.6. Конструкция горизонтального транзистора типа р-п-р
Рис. 1.7. Конструкция многоколлекторного горизонтального транзистора типа р-п-р
базовый контакт
Дрейфовый Дрейфовый
анод катав
Основные недостатки горизонтального транзистора типа р-п-р — сравнительно большая ширина базы и однородность распределения примесей в ней (транзистор является бездрейфовым). Их можно устранить двумя способами. Для этого используют дрейфовую структуру, показанную на рис. 1.8. Два электрода в противоположных концах базы создают в базовом слое электрическое поле, которое уменьшает время переноса инжектированных дырок и создает в эмиттере смещение, снижающее инжекцию из его донной части.
Вертикальные т р а н з и с т ор ы типа р-п-р. Можно использовать также вертикальную р-п-р-структуру, показанную на рис. 1.9. Для ее формирования необходимо изменить технологию: проводить более глубокую диффузию для формирования p-слоя и вводить дополнительную операцию диффузии для создания р++-слоя, причем для получения р++-слоя требуется акцепторная примесь, у которой предельная растворимость больше,
чем у донорной примеси в /г+-слое. Фактически перед проведение?^ диффузии акцепторов приходится стравливать наиболее легированную часть /г+-слоя, т. е. вводить еще одну дополнительную операцию.
Подложка
Рис. 1.8. Конструкция дрейфового бокового транзистора типа р-п-р
Составные транзисторы. Составные интегральные транзисторы могут быть реализованы на основе двух транзисторов одного или разных типов, расположенных в одной изолированной области. На
Рис. 1.9. Конструкция вертикального транзистора типа р-п-р, изготовленного методом тройной диффузии на основе планарно-эпитаксиальной структуры
Рис. 1.10. Конструкция составного
транзистора
рис. 1.10 представлена транзисторная структура, в которой в зависимости от схемы соединений могут быть реализованы составные транзисторы, состоящие из двух транзисторов типа п-р-п с общим коллектором или из вертикального транзистора типа п-р-п и горизонтального транзистора типа р-п-р. В принципе возможна реализация составных транзисторов в разных изолированных областях.
Составной транзистор имеет коэффициент усиления, равный произведению коэффициентов усиления составляющих его транзисторов: В~В\В2, однако быстродействие составного транзистора определяется наименее быстродействующим транзистором.
Интегральные диоды. Любой из р-п-переходов планарно-эпитаксиальной структуры может быть использован для формирования диодов, но только переходы база — эмиттер и база — коллектор действительно удобны для схемных применений. Пять возможных
Рис. 1.11. Конструкции интегральных диодов
вариантов диодного включения интегрального транзистора показаны на рис. 1.11: а —переход база —эмиттер с коллектором, закороченным на базу; б — переход коллектор — база с эмиттером, за-
короченным на базу; в — параллельное включение обоих переходов- з — переход база — эмиттер с разомкнутой цепью коллектора; д__’переход база — коллектор с разомкнутой цепью эмиттера. Па-
раметры интегральных диодов приведены в табл. 1.3.
Таблица 1.3
Параметры интегральных диодов
Вариант включение Значения параметров
пробивное напряжение "пр-В обратный ток Дбр- нА емкость диода С-, пФ д паразитная емкость на подложку Со, пФ — время восстановления обратного тока <в, нс
БК—Э 7—8 0,5—1,0 0,5 3 10
БЭ—К 40—50 15—30 0,7 3 50
Б—ЭК 7—8 20—40 1,2 3 100
Б—Э 7—8 0,5—1,0 0,5 1,2 50
Б-К 40—50 15—30 0,7 3 75
Примечание: для обозначения вариантов диодного включения транзистора приняты следующие сокращения: слева от тире указывают обозначение анода, справа — катода; если две области транзистора соединены, их обозначения пишут слитно.
Из анализа таблицы видно, что варианты включения различаются по электрическим параметрам. Пробивные напряжения (Др больше для вариантов с коллекторным переходом, обратные токи /обр— для вариантов только с эмиттерным переходом, имеющим наименьшую площадь. Емкость диода между катодом и анодом Сд для варианта с наибольшей площадью переходов максимальна (Б—ЭК). Паразитная емкость на подложку Со (считается, что подложка заземлена) минимальна для варианта Б—Э. Время восстановления обратного тока Д, характеризующее время переключения диода из открытого состояния в закрытое, минимально для варианта БК—Э, так как здесь заряд накапливается только в базе.
Оптимальными для ИМС вариантами включения являются БК—Э и Б—Э, причем чаще используется БК—Э. Пробивные напряжения (7—8 В) достаточны для использования этих вариантов в низковольтных ИМС.
Интегральные резисторы. Резисторы ИМС формируют в любом из диффузионных слоев транзисторной структуры (эмиттерная и базовая области), в эпитаксиальном слое (коллекторная область) и с помощью ионного легирования.
Рассмотрим разновидности интегральных резисторов.
Диффузионные резисторы. Диффузионные резисторы (ДР) изготовляют одновременно с базовой или эмиттерной областью (рис. 1.12, 1.13, 1.14). Сопротивление ДР представляет собой объемное сопротивление участка диффузионного слоя, ограниченного р-п-переходом. Оно определяется геометрическими размерами резистивной области и распределением примеси по глубине диффу-18
знойного слоя, которое, в свою очередь, характеризуется удельным поверхностным сопротивлением ps. Значение ps является конструктивным параметром резистора, зависящим от технологических факторов (режима диффузии). При создании ИМС параметры диффузионных слоев оптимизируют с целью получения наилучших характеристик транзисторов типа п-р-п, поэтому параметры ДР улучша
Рис. 1.12. Конструкция диффузионного резистора на основе базовой области
Рис. 1.13. Поперечный разрез структуры диффузионного резистора на основе базовой обла-
ют не варьированием технологических режимов, а выбором конфигурации и геометрических размеров резистора. Конфигурации диффузионных резисторов даны на рис. 1.15. Низкоомные (десятки ом) резисторы( рис. 1.15, а) имеют малое отношение 1/Ь. Форму и размеры контактов к ним выбирают такими, чтобы сопротивление приконтактных областей было значительно меньше сопротивления основной области резистора. Резисторы с сопротивлением от сотен ом до единиц килоом в плане имеют вид, изображенный на рис. 1.15, б, в. Здесь длина и ширина приконтактной области равны ширине резистора. Топологию, показанную на рис. 1.15, г, д, используют для создания высокоомных резисторов (до 20 кОм). Эти резисторы имеют сравнительно малую ширину, размеры приконтактных областей определяются возможностями технологии создания надежного контакта проводящих алюминиевых полосок с полупроводниковым материалом. Еще более высокоомные резисторы (до 60 кОм) имеют форму меандра (рис. 1.15, е) или изготовляются в донной части базовой области (пинч-резистбры, рис. 1.15, ж). Длина однополоскового диффузионного резистора не может превышать размеров активной области кристалла (1—5 мм), ширина ограничена минимальной шириной окна под диффузию, определяемой возможностями фотолитографии (2,5—3 мкм), и боковой диффузией (уход примеси под окисел равен примерно глубине диффузионного р-и-перехода). Типичные значения сопротивления диффузионных резисторов, которые можно получить при данном значении ps, лежат в диапазоне 4ps<7?<104ps. Нижний предел ограничивается
сопротивлениями приконтактных областей, верхний — допустимой площадью, отводимой под резистор. /
Максимальное сопротивление ДР на основе базовой области приблизительно равно 60 кОм, если площадь, отведенная под резистор, не очень велика (не более 15% от площади кристалла). Воспроизводимость номинальных значений сопротивления обычно составляет 15— 20% и зависит от ширины резистора (табл. 1.4). Отклонения от номиналов сопр9тивлений резисторов, расположенных на одном кристалле, за счет неточностей технологии имеют один и тот же знак, поэтому отношение сопротивлений сохраняется с высокой точностью (табл. 1.4). Аналогично, температурный коэффициент отношения сопротивлений мал по сравнению с ТКР для отдельного резистора [(1,5—3)-10~4 1/°С]. Эту особенность диффузионных резисторов учитывают при разработке проводниковых ЙМС.
1 a)
полу-
Рис. 1.14. Конструкция диффузионного резистора на основе эмиттерной области
Рис. 1.15. Конфигурации диффузионных резисторов
L
На основе эмиттерной области формируются резисторы небольших номиналов [3—100 Ом с ТД/?—(14-2) • 10~4 1/°С], поскольку значение ps эмиттерного слоя невелико (см. табл. 1.1).
Пинч-резисторы. При необходимости создания в ИМС резисторов с сопротивлением более 60 кОм используют пинч-резисторы (синонимы: канальные, сжатые, закрытые резисторы). Их формируют на основе донной, слаболегированной базовой области, имеющей большее сопротивление и меньшую площадь сечения (рис. 1.16, 1.17). Максимальное сопротивление таких резисторов составляет 200—300 кОм при простейшей полосковой конфигурации, р5 = 24-5 кОм/D. Пинч-резисторы имеют большой разброс номиналов (до 50%) из-за трудностей получения точных значений толщи-
Точность изготовления диффузионных резисторов на основе базовой области и отношения их сопротивлений
Ширина резистора, мкм Точность воспроизведения номинала сопротивления, % Точность отношения сопротивлений, %
1 : 1 1 :5
7 ± 15 ±2 ±5
25 ±8 ±0,5 ±1,5
Рис. 1.16. Конструкция пинч-резистора
Рис. 1.17. Конструкция пинч-резисторов на основе базовой области с использованием эмиттерной диффузии (закрытый I и полузакрытый II варианты)
ны донной части p-слоя, большого ТКД= (34-5) • 10~3 1/°С вследствие меньшей степени легирования донной части. У пинч-резистора п+- и p-слои закорочены металлизацией (см. рис. 1.16) и соединены с выводом резистора, находящимся под большим положительным потенциалом, чем остальные области структуры. Такое соединение обеспечивает обратное смещение на всех переходах пинч-резистора. Этот резистор имеет линейный участок в. а. х. только до напряжений 1 —1,5 В, его пробивное напряжение равно 5—7 В (эмиттерный переход, см. табл. 1.2).
> Эпитаксиальные резисторы. Из трех областей транзистора коллекторная имеет наименьшую концентрацию легирующей примеси и максимальное значение ps (500—5000 Ом/d). Поскольку эпитаксиальный слой легирован однородно, проводимость эпитаксиального резистора (ЭР) постоянна по всему его сечению в отличие от ДР. У ЭР (рис. 1.18) поперечное сечение по форме существенно отличается от сечений ДР, ибо эпитаксиальный резистор формируется разделительной диффузией. Так как эта диффузия •самая продолжительная и точная регулировка размеров диффузионных областей, особенно величины боковой диффузии, затруднена, разброс номиналов сопротивления ЭР значителен. Казалось бы, что большие значения ps позволяют экономить площадь кристалла при формировании ЭР больших номиналов, однако значительная площадь области разделительной диффузии (рис. 1.18) сводит на нет
это преимущество. Эпитаксиальные резисторы имеют высокое напряжение пробоя (>100 В) и большой TKJ?, поскольку коллекторная область легирована слабо.
Эпитаксиальные пинч-р е з и ст ор ы. Конструкции этих резисторов отличаются от обычного ЭР тем, что их поперечное сечение уменьшено сверху на глубину базового слоя, что и предопределяет большие, чем у ЭР, значения ps (ps=44-8 кОм/D) и но-
Рис. 1.19. Конструкция эпитаксиального пинч-резистора
Рис. 1.18. Конструкция ин-грального резистора на основе коллекторной области
и
той же площади (рис. 1.19).
миналы сопротивления при одной
Пробивное напряжение этих резисторов определяется пробивным напряжением £/Кб (см. табл. 1.2), ТК^~4-10-3 1/°С.
Ионно-легированные резисторы. Структура этих резисторов такая же, как и у ДР, но глубина ионно-легированных слоев, в которых сформировано тело резистора, составляет лишь 0,1—0,3 мкм (рис. 1.20). Ионная
имплантация может обеспечить
а) S)
Рис. 1.20. Конструкции ионно-легированных резисторов, сформированных имплантацией примеси р-типа в эпитаксиальный (коллекторный) слой (а) и примеси n-типа в базовый слой (б)
малую концентрацию легирующей примеси в слое. При соответствующем выборе дозы легирования и параметров отжига (10—20 мин при 500—600°С) можно получить ps = 0,5-4-20 кОм/D в резисторах со структурой рис. 1.20, а и ps=500-Н1000 Ом/D в резисторах со структурой рис. 1.20, б. Могут быть достигнуты номиналы со
противлений в сотни килоом со сравнительно низким ТК. /? и допуском ±10%. Ширина и толщина ионно-легированных резисторов с большими номиналами сопротивлений очень малы, что усложняет получение качественного омического контакта. Для формирования надежных контактов используют диффузионные р- или п-области, которые создают на стадии базовой или эмиттерной диффузии (рис. 1.20).
Характеристики интегральных р е з и с т о р о в. Типичные характеристики интегральных резисторов приведены в табл. 1.5.
Характеристики интегральных резисторов
Таблица 1.5
Тип резистора Толщина СЛОЯ, МКМ Поверхностное сопротивление р.$, ои/а Допуск, % ТКЯ(ая), 1/°С Паразитная емкость, пФ/мм1
Диффузионный резистор на основе базовой области 2,5—3,5 100—300 ± (5—20) ±(0,5-3) ДО"3 150—350
Пинч-рези-стор 0,5—1,0 (2—15)-10s ±50 ±(1,5—3) ДО-3 1000—1500
Диффузионный резистор на основе эмиттерной области 1,5-2,5 1—10 ±20 ±(1— 5)Д0~‘ 1000—1500
Эпитаксиальный резистор 7—1,0 (0*5—5) ДО3 ±(15—25) ±(2—4) ДО"3 80—100
Ионно-легированный резистор /г-типа 0,1-0,2 (5—10) ДО2 ±50 ±(1,5—5) ДО-3 200—350
Тонкопленочные резисторы. В совмещенных ИМС (в одной конструкции совмещены элементы, изготовляемые по полупроводниковой и пленочной технологии) поверх слоя защитного диэлектрика могут быть сформированы тонкопленочные резисторы. По сравнению с полупроводниковыми резисторами они обладают следующими преимуществами: имеют более .высокие значения ps, меньшие значения паразитных параметров, более высокую точность изготовления, низкий ТК#. Основной их недостаток—необходимость введения дополнительных операций в технологический маршрут изготовления ИМС и дополнительных мер защиты от внешних воздействий. Наиболее часто используемые материалы для тонкопленочных резисторов — нихром и тантал (табл. 1.6), наиболее распространенная форма — полосковая (см. гл. 3). Тонкопленочные резисторы располагают на гладкой поверхности защитного диэлектрика (обычно стекло или SiOs), не содержащей ступенек.
Характеристики тонкопленочных резисторов совмещенных ИМС
Материал ps, ом/а ТК/Да^) • 10~4’ 1/°С Допуск, % Разброс отношения сопротивлений, 4%
Нихром 40—400 1 ±5 ±1
Тантал 200—5000 1 ±5 ±1
Пленка SiC>2 80—4000 0—15 ±8 ±2
Интегральные конденсаторы. В интегральных полупроводниковых конденсаторах роль диэлектрика могут выполнять обедненные слои обратно смещенных р-п-переходов или пленка окисла кремния, роль обкладок—легированные полупроводниковые области или напыленные металлические пленки. Характеристики конденсаторов полупроводниковых ИМС невысоки; кроме того, для получения сравнительно больших емкостей необходима значительная площадь схемы. Поэтому при проектировании электрической схемы полупроводниковой ИМС стремятся избегать применения конденсаторов.
Диффузионные конденсаторы. В ИМС для формирования диффузионных конденсаторов (ДК) может быть использован любой из р-н-переходов (рис. 1.21): коллектор — подложка
Рис. 1.21. Варианты формирования интегральных диффузионных конденсаторов на основе р-п-переходов
(С]), база — коллектор (С2), эмиттер — база (С3), переход р-обла-сти изолирующей диффузии и скрытого и+-слоя (С4). Варианты С\ и С4 не могут быть реализованы в ИМС с диэлектрической изоляцией.
В близкой к реальной полупроводниковой структуре (рис. 1.21) с удельным сопротивлением подложки 10 Ом-см, сопротивлением слоя базы 200 Ом/П и сопротивлением слоя эмиттера 2 Ом/Q при глубинах р-и-переходов эмиттер — база 2, 3 мкм, база — коллектор 2,7 мкм и коллектор — подложка 12,5 мкм р-тг-переходы, используемые для формирования ДК, имеют такие характеристики:
удельную емкость дна р-п-перехода коллектор — подложка 100 пФ/мм2, а боковой стенки 250 пФ/мм2; пробивное напряжение перехода до 100 В;
удельную емкость р-п-перехода база — коллектор 350 пФ/мм2, а его пробивное напряжение 30—70 В;
удельную емкость дна р-п-перехода эмиттер — база 600 пФ/мм2, а боковой стенки 1000 пФ/мм2, пробивное напряжение перехода 7 В.
Самую большую удельную емкость (более 1000 пФ/мм2) имеет р-п-переход, область изолирующей р-диффузии — подколлекторный /г+-слой, его пробивное напряжение 10 В. ТКС конденсаторов на этом переходе сравнительно большой (2-10~4 1/°С).
Поскольку ширина обедненного слоя обратно смещенного перехода зависит от напряжения, емкость ДК также изменяется с изменением напряжения. Удельную емкость любого полупроводникового перехода можно аппроксимировать формулой Со~ где Д’—коэффициент пропорциональности, зависящий от уровня легирования полупроводниковых областей; т—показатель: те ч=[!/з; ’/г], причем m=V2 соответствует ступенчатому, а т—Чз — линейному переходу. Остальные значения т, входящие в указанное множество, соответствуют реальным распределениям примеси, в том числе гауссову и по функции ошибок.
В табл. 1.7 даны значения удельной емкости переходов интегрального транзистора со скрытым слоем И' без него, с подложкой p-типа (р=5 Ом-см), гауссовым распределением примеси в базе (ширина 0,7 мкм) и распределением примеси по функции ошибок в эмиттере.
Таблица 1.7 Значения удельной емкости переходов интегрального транзистора
и, в Сэб, пФ/мм’ сбк, пФ/мм’ Ск„(с /Н-слоем), пф/.мм’ СКп(без п-Ь-слоя), пФ/мм’
0 1400 300 260 190
5 1000 120 90 60
10 — 90 55 40
Эмиттерный переход обладает наибольшей удельной емкостью, но малыми напряжением пробоя и добротностью. Базовый переход используется для формирования ДК наиболее часто. Пример конструкции такого конденсатора приведен на рис. 1.22. Параметры диффузионных конденсаторов на этих переходах приведены в табл. 1.8. Значения максимальной емкости даны ориентировочно в предположении, что площадь всех конденсаторов ИМС не превышает 20—25% площади кристалла. Недостатком ДК является необходимость обеспечения строго определенной полярности (см. рис. 1.21), так как условием их нормальной работы является обратное смещение р-п-перехода.
МДП-конденсаторы. Их конструкция представлена на рис. 1.23. Нижней обкладкой служит эмиттерный п+-слой, верхней— пленка А1, диэлектриком — тонкие слои SiO2 или Б1зН4. По-
следний предпочтителен вследствие большей емкости Со (диэлектрическая проницаемость б нитрида выше, чем окисла кремния), но SiO2 более доступен. Толщина диэлектрика составляет 0,05— 0,12 мкм. Параметры МДП-конденсаторов приведены в табл. 1.8. Недостатком МДП-конденсаторов в составе биполярных ИМС яв-
Рис. 1.22. Конструкция интегрального диффузионного конденсатора:
1 — алюминиевый вывод от верхней обкладки конденсатора; 2 — алюминиевый вывод от нижней обкладки конденсатора; 3—пленка золота (контакт к подложке); 4 — подложка р-типа; 5 — коллекторная n-область (ннжняя обкладка конденсатора); б—базовая p-область (верхняя обкладка конденсатора); 7— пленка окнсла кремния
Рис. 1.23. Конструкция интегрального МДП-конденсатора:
1 — верхняя обкладка; 2 — алюминиевый вывод от нижней обкладки; 3 — подложка р-тнпа; 4—коллекторная п-область; 5 — п+-слой (ннжняя обкладка конденсатора); 6 — тонкий окисел (диэлектрик конденсатора); 7—
толстый окисел
Параметры интегральных конденсаторов
Таблица 1.8
Тип конденсатора Удельная емкость С0) пФ/мм Максимальная емкость Стах’ пф Допуск 8, % ТКС(ас)Х хю~3 > 1/’С Пробивное напряжение %-в, Добротность*
ДК на переходах: Б-К 150(350)** 300 ± 15ч-20 — 1,0 30—70 50—100
Э-Б 600(1000)** 1200 ±20 — 1,0 7—8 1—20
К-П 100(250)** — ± 15-5-20 — 35—70 —
МДП с диэлектриком: SiO2 400—600 500 ±20 0,015 30—53 25—80
Si3N« 800—1600 1200 ±20 0,01 50 20—100
Тонкопленочные с диэлектриком: SiO2 500—800 650 ±20 ±3 2-5 20—40 10—100
Si3N< 3000—5500 4500 ±20 23 10—100
* Для ДК на частоте 1 МГц, для МДП и тонкопленочных конденсаторов иа частоте 10 МГц.
** В скобках указаны значения Со для вертикальных (боковых) стеиок р-п-перехода.
ляется необходимость введения дополнительной операции создания тонкого диэлектрика и еще одной фотолитографии.
Тонкопленочные МДМ - конденсаторы. В совмещенных ИМС можно сформировать плоские МДМ-конденсаторы в миниатюрном исполнении. Они состоят из двух металлических слоев,
разделенных слоем диэлектрика (см. гл. 3). В качестве обкладок используют А1 или Та, в первом случае диэлектриком служит А12О3,
во втором — Та2Ой. Диэлектрическая постоянная Та2Оэ на порядок выше, чем у большинства других диэлектриков, но окисел тантала не применяют в ИМС, работающих на высоких частотах. МДМ-конденсаторы, так же как и МДП-конденсаторы, работают при любой полярности. Их недостатком по сравнению с диффузионными конденсаторами является необратимый отказ в случае пробоя диэлектрика.
Соединения и контактные площадки. С о-единения. Элементы ИМС электрически
соединены между собой с помощью алюми- v"Phc j 24 Конструкция ниевой разводки толщиной до 0,8 мкм. Ког- диффузионной перемыч-да в однослойной разводке не удается избе- ки
жать пересечений, применяют диффузион-
ные перемычки (рис. 1.24). Речь идет об изоляции двух взаимно
перпендикулярных проводников, первый из которых размещен поверх защитного окисла, второй «подныривает» под него в виде участка и+-слоя. Этот участок имеет заметное сопротивление (3— 5 Ом), вносит дополнительную паразитную емкость и занимает сравнительно большую площадь (для него требуется отдельная
Рис. 1.25. Конструкция соединений (а) и контактной площадки (б) ИМС
изолированная область), поэтому диффузионной перемычкой пользуются в исключительных случаях. Диффузионные перемычки не применяют в цепях питания, в которых протекают достаточно большие токи.
Контактные площадки. Контактные площадки (КП), располагаемые обычно по периферии полупроводникового кристал
ла, служат для создания соединений полупроводниковой схемы с выводами корпуса с помощью золотых или алюминиевых проволочек методом термокомпрессии. Для КП используют тот же материал, что и для создания разводки (чаще всего алюминий); КП формируют одновременно с созданием разводки. Для предотвращения замыканий КП на подложку в случае нарушения целостности окисла при термокомпрессии под каждой КП формируют изолированную область (за исключением КП, соединенных с проводниками, имеющими контакт с подложкой). Конструкция КП приведена на рис. 1.25.
Рис. 1.26. Фрагмент топологии ИМС с фигурами совмещения
Рис. 1.27. Варианты фигур совмещения:
а — типа «линия — линия» (линии креста на шаблоне совмещаются с линиями креста на кристалле); б — д — с контролируемым зазором между линиями фигур совмещения на шаблоне и на кристалле
Фигуры совмещения. Фигуры совмещения являются вспомогательными элементами ИМС, необходимыми для точного выполнения операции совмещения рисунка фотошаблона при фотолитографии с рисунком ранее созданных слоев. Число фигур совмещения на единицу меньше числа операций фотолитографии, использованных при изготовлении ИМС (рис. 1.26). Фигуры совмещения могут иметь различную форму (рис. 1.27, а—д).
§ 1.2. Изоляция элементов и технологические
процессы производства ИМС
Для нормальной работы ИМС необходимо, чтобы элементы или группы элементов были размещены в электрически изолированных друг от друга областях. Эти области должны иметь следующие электрические и физические свойства: напряжение пробоя изоляции более высокое, чем напряжение питания ИМС; малую паразитную
емкость, небольшие токи утечки, высокую теплопроводность, близость коэффициента термического расширения (КТР) изолирующей области к К.ТР кремния, большую радиационную стойкость, малую площадь, отводимую под изоляцию.
Изоляция с помощью р-п-переходов. В § 1.1 были приведены
данные о конструктивно-технологическом исполнении и некоторых характеристиках элементов ИМС на биполярных транзисторах, выполненных способом изоляции элементов с помощью обратно смещенных р-п-переходов (диодная изоляция).
Для формирования любого элемента полупроводниковой ИМС и создания ее конструкции обычно достаточно трех р-п-переходов и четырех слоев двух типов электропроводности. Изоляция обеспечивается р-п-переходом между подложкой и коллекторными областями элементов ИМС (рис. 1.28). При подаче отрицательного по-
тенциал а_на подложку изолирующий переход сжщаётся- в обратном направленииДГкарманы п-ти-па, в которых размещены элементы ИМС, оказываются окруженными со всех сторон областью р-типа и изолированными друг от друга обратно смещенными р-п-переходами, сопротивление которых по постоянному току велико. Характеристики изоляции могут ухудшаться за счет паразитных емкостей и токов утечки, особенно
Рис. 1.28. Изоляция двух интегральных транзисторов с помощью р-п-пе-реходов
при работе на высоких частотах и в тяжелых эксплуатационных условиях (повышенные температуры). Несмотря на это, метод диодной изоляции является распространенным. -
Сокращенный маршрут изготовления ИМС с изоляцией эле-
ментов обратно смещенными р-ц-переходами методом планарноэпитаксиальной технологии представлен на рис. 1.29. Из рисунка
видно, что операция изоляции элементов осуществляется групповым методом, органически сочетается с технологией изготовления ИМС в целом и реализуется проведением разделительной (изолирующей) диффузии на всю глубину эпитаксиального слоя.
Рассмотренная технология позволяет получать необходимую степень легирования коллектора и подложки независимо друг от друга. При выборе высокоомной подложки и не очень высокоомного эпитаксиального слоя (коллектора) можно обеспечить оптимальные емкости перехода коллектор — база и его напряжение пробоя. Наличие эпитаксиального слоя позволяет точно регулировать толщину и сопротивление коллектора, которое, однако, остается достаточно высоким (70—100 Ом). Снижение сопротивления коллектора достигается созданием скрытого п+-слоя путем диффузии в р-под-ложку примеси n-типа перед наращиванием эпитаксиального слоя.
Изоляция диэлектриком. Диэлектрическая изоляция позволяет создавать ИМС с улучшенными характеристиками по сравнению
Рис. 1.29. Последовательность операций планарно-эпитаксиальной технологии производства биполярных полупроводниковых ИМС с изоляцией элементов р-п-переходами:
1 — механическая обработка поверхности рабочей стороны Si пластины p-типа до 14-го класса чистоты и травление в парах НС1 для удаления нарушенного слоя; 2 — окисление для создания защитной маскн при диффузии прнмесн л-типа; 3 — фотолитография для вскрытия окон в окисле и проведения локальной диффузии в местах формирования скрытых слоев; 4— диффузия для создания скрытого л+-слоя; 5 — снятие окисла и подготовка поверхности перед процессом эпитаксиального наращивания; 6 — формирование эпитаксиальной структуры; 7 — окисление поверхности эпитаксиального слоя для создания защитной маски при разделительной диффузии; 8 — фотолитография для вскрытия окон под разделительную диффузию: 9 — проведение разделительной диффузии н создание изолированных карманов; 10 — окисление; // — фотолитография для вскрытия окон под базовую диффузию; 12 — формирование базового слоя диффузией прнмесн р-типа; 13 — окисление; 14 — фотолитография для вскрытия окон под эмнттер-ную диффузию; 15 — формирование эмнттерного слоя диффузней примеси л-типа; 16 — фотолитография для вскрытия контактных окон; /7 —напыление пленки алюминия; 18— фотолитография для создания рисунка разводки и нанесение слоя защитного диэлектрика
Рис. 1.30. Последовательность операций технологического процесса производства биполярных полупроводниковых ИМС с диэлектрической изоляцией элементов:
1 — структура со скрытым диффузионным слоем на подложке п-типа после операций механической обработки, химического полирования, окисления, фотолитографии, локальной диффузии примеси п-тнпа; 2 — фотолитография для вскрытия окон в окнсле перед операцией локального травления кремния; 3 — травление кремния; 4 — снятие окисла; 5 — нанесение окисла, нитрида нлн карбида кремния; 6—осаждение из парогазовой фазы слоя высокоомного полнкрнсталлического кремния толщиной — 200 мкм; 7 — сошлифовыванне монокристаллического кремния до получения изолированных диэлектриком карманов и получение рабочей поверхности высокого класса чистоты; 8 — окисление рабочей поверхности; 9 — фотолитография для вскрытия окон под базовую диффузию; 10 — формирование базового слоя; 11 — фотолитография для вскрытия окон под эмнттерную диффузию; 12 — формирование эмиттерного слоя; 13 — фотолитография для вскрытия контактных окон; 14 — напыление пленки алюминия; 15 — фотолитография для создания рисунка разводки и нанесение слоя защитного диэлектрика
со схемами, в которых применяется диодная изоляция, а именно: существенно увеличить напряжение пробоя изолирующей области, значительно (примерно на шесть порядков) уменьшить токи утечки, уменьшить (примерно на два порядка) паразитные емкости и в результате увеличить рабочую частоту аналоговых и быстродействие цифровых ИМС, повысить их радиационную стойкость.
Один из технологич’еских маршрутов формирования ИМС с диэлектрической изоляцией элементов представлен на рис. 1.30. Изоляция обеспечивается слоем окисла, нитрида или карбида кремния (Si) либо их сочетаниями (позиция 5 и последующие). Поликрис-таллический кремний, удельное сопротивление которого составляет менее 0,01 Ом-см, выполняет роль механического основания ИМС. Основные трудности реализации этого способа заключаются в проведении прецизионного шлифования с исключительно малыми отклонениями толщины сошлифованного слоя и высокой дефектности монокристаллических карманов после механической обработки их рабочей поверхности. Поликристаллический кремний можно заменить диэлектриком, например ситаллом, керамикой (керамическая изоляция), но ввиду несогласованности КТР кремния и керамики этот вариант не обеспечивает требуемой плоскостности пластин после процессов термической обработки и отличается низким выходом годных изделий. В ИМС с диэлектрической изоляцией затруднен теплоотвод от полупроводниковых областей; кроме того, площадь, занимаемая элементами ИМС, сравнительно большая, т. е. степень интеграции ИМС невысока.
Комбинированная изоляция. Комбинированная изоляция элементов ИМС является компромиссным варианто"м7 сочетающим технологичность изоляции р-п-переходом и высокие качества изоляции диэлектриком. Количество способов этой изоляции очень велико. Здесь’элементы ИМС со стороны подложки изолированы обратно смещенным р-/т-переходом, а с боковых сторон — диэлектриком (окислом, стеклом, керамикой).
Таким образом, изоляция р-п-переходом заменяется изоляцией диэлектриком в наиболее уязвимом приповерхностном слое и с боковых сторон. Наибольшее распространение на сегодняшний день получили такие способы комбинированной изоляции, как локальное окисление (изопланарная технология) и вертикальное анизотропное травление (полипланарная технология).
В основе этих технологий лежит локальное сквозное окисление или протравливание тонкого (2—3 мкм) эпитаксиального слоя кремния п-типа, в результате чего этот слой оказывается разделенным на островки, в которых можно формировать элементы ИМС.
Схема технологического процесса «Изопланар I» представлена на рис. 1.31, а — д. Маской при локальном травлении и последующем окислении кремния служит нитрид кремния, скорость окисления которого примерно на порядок меньше, чем у кремния. Предварительное перед окислением локальное травление эпитаксиального слоя кремния осуществляют на 60—65% от общей его толщины, с тем чтобы образовавшаяся канавка при окислении зарос-32
ла окислом точно до краев, так как удельный объем окисла примерно вдвое больше удельного объема кремния. Это обеспечивает
планарность структуры перед формированием разводки.
Технологический процесс «Изопланар II» (рис. 1.32, а — г) позволяет уменьшить занимаемую транзистором ИМС площадь на
70% по сравнению с 'планарно-эпитаксиальной технологией и на 40% по сравнению с процессом «Изопланар I». Особенности конструкции транзистора, сформированного по технологии «Изопланар I», заключаются в следующем: вывод коллектора отделен от базы и
Рис. 1.31. Последовательность операций технологического процесса «Изопланар I»:
а — структура со скрытыми слоями после проведения фотолитографии по слоям окисла и нитрида кремния; б — травление кремния; в — формирование разделительного окисла; г — формирование коллектора методом диффузии; д — формирование других областей активных и пассивных элементов методами планарной технологии
Рис. 1.32. Последовательность операций технологического процесса «Изопланар II»:
а — структура со скрытым слоем и пленкой нитрида кремния; б — фотолитография по нитриду и локальное травление кремния; в — формирование толстого изолирующего окисла; г — удаление маски нитрида кремния и формирование элементов в изолированных областях методом планарной технологии
эмиттера слоем изолирующего толстого окисла и помещен в отдельную область; уменьшение числа фотошаблонов, так как базовую диффузию можно проводить по всей поверхности полупроводниковой структуры, не формируя базовых окон.
Особенностями технологического процесса «Изопланар II» являются: снижение требований к допускам при изготовлении фотошаблонов и к точнности их совмещения при фотолитографическом вскрытии окон под коллекторную и эмиттерную диффузии, поскольку неточности приходятся на область разделительного толстого окисла и не влияют на окончательный результат; сформирован пристеночный эмиттер,‘большая часть боковых-стенок которого изолирована разделительным окислом, что позволяет получить транзисторы с более высоким коэффициентом усиления.
Эак. 440
Рис. 1.33. Уменьшение размеров ИМС, сформированных с применением пла-* нарно-эпнтаксиальной технологии (а), технологий «Изопланар I» (б) и «Изопланар II» (в)
Современные биполярные БИС и СБИС, изготовляемые в основном способами комбинированной изоляции, обладают достаточно высокими характеристиками изоляции. Преимуществом этой изоляции является возможность достижения высокой степени интеграции ИМС, которую иллюстрирует рис. 1.33, а — в.
§ 1.3. Конструирование и расчет параметров элементов ИМС на биполярных транзисторах
Как правило, при разработке ИМС производят расчет геометрии пассивных элементов биполярных ИМС (резисторов и конденсаторов), а конструкции транзисторов и диодов выбирают из банка данных по этим элементам, имеющегося на данном предприятии, применительно к одной (или нескольким) базовым технологиям. При строгом соблюдении режимов базовой технологии вертикальную структуру элементов можно считать заданной. В этом смысле расчет резисторов и конденсаторов привязан к базовой технологии (заданы поверхностные концентрации, глубины залегания р-п-лере-ходовидр.).
Конструирование и расчет параметров резисторов. Исходными данными для расчета геометрических размеров интегральных по-34
лупроводниковых резисторов являются: заданное в принципиальной электрической схеме номинальное значение сопротивления R и допуск на него AR\ поверхностное сопротивление легированного слоя ps, на основе которого формируется резистор; среднее значение мощности Р и максимально допустимая удельная мощность рассеяния Ро; основные технологические и конструктивные ограничения.
Топология интегральных полупроводниковых резисторов представлена на рис. 1.15. Характеристики резисторов зависят от того, какой слой транзисторной структуры использован в качестве резистивного (см. табл. 1.5).
Полная относительная погрешность сопротивления диффузионного резистора определяется суммой погрешностей:
&R/R = + Д ps/ps + айДГ; (1.1)
K^=l/b = R/Ps, (1.2)
где /<ф — коэффициент формы резистора; АК^/К.^— относительная погрешность коэффициента формы резистора; Aps/ps— относительная погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления легированного слоя, для типовых технологических процессов Apslps=0,054-0,1; ая— температурный коэффициент сопротивления резистора (см. табл. 1.5); aRAT — температурная погрешность сопротивления. Принимаем, что интегральный полупроводниковый резистор в сечении, перпендикулярном направлению протекания тока, имеет прямоугольную форму.
Расчет геометрических размеров интегрального полупроводникового резистора начинают с определения его ширины. За расчетную ширину Ьрасч резистора принимают значение, которое не меньше наибольшего значения одной из трех величин: ЬтеХц, &точн, ЬР, т. е. 6расч^гп1ах{&тех1Г, &точн, ЬР}, где Ьтехн— минимальная ширина резистора, определяемая разрешающей способностью технологических процессов; &Точн—минимальная ширина резистора, при которой обеспечивается заданная погрешность геометрических размеров; ЬР — минимальная ширина резистора, определяемая из максимально допустимой мощности рассеяния.
Величину &техн находят из перечня технологических ограничений выбранной технологии (например, для планарно-эпитаксиальной технологии Ьтехн=5 мкм).
Ширину &точн определяют из выражения
6,гочн = (Д b ф- Д Z/ТСф) К(1.3)
где АЬ и А1 — абсолютные погрешности ширины и длины резистивной полоски, обусловленные технологическими процессами.
Для типовых технологических процессов (АЬ = А/=0,054-0,1 мкм)
Д^ф//<Ф= &R/R ~ bps/ps - а^Т. (1.4)
Ширину bP определяют из выражения
где Ро — максимально допустимая удельная мощность рассеяния, выбираемая в зависимости от типа корпуса микросхемы и условий, ее эксплуатации в пределах 0,5—4,5 Вт/мм2.
Для составления чертежа топологии следует выбрать шаг координатной сетки. Его выбирают равным 0,5 или 1 мм (допускается 0,1 или 0,2 мм). Задаваясь.масштабом 100: 1, 200: 1, 300: 1 и т. д., определяют шаг координатной сетки для фотошаблона, затем промежуточное значение ширины резистора:
^irpo'.t== ^расч k-Драв Т“ 0-6)
где Дтрав—погрешность,-вносимая за счет растравливания окон в маскирующем окисле перед диффузией (для типовых технологических процессов ДТрав = 0,24-0,5 мкм); Ду—-погрешность, вносимая за. счет ухода диффузионного слоя под маскирующий окисел в боковую сторону (ориентировочно Ду составляют 60% глубины базового слоя и 80% глубины эмиттерного слоя).
Далее находят топологическую ширину резистора Ьтоп (ширину на чертеже топологии) и реальную ширину резистора па кристалле после изготовления ИМС.
Если &пром^&техн. то за Ьтоп принимают равное или ближайшее к &пром большее значение, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии.
Реальная ширина резистора на кристалле
/>=*т + 2(Дг,„ + 4</). (1.7)
Если в &прол<&техи, то за 6ТОп принимают равное или ближайшее к Ьтехп большее значение, кратное шагу координатной сетки. Реальную ширину резистора на кристалле определяют так же, как и в первом случае.
Расчетную длину резистора определяют по формуле
' lPaC^b(R/ps—n1k1—n2k2-0,55N,i3r'), (1.8)
где А7ПЗГ—количество изгибов резистора на угол л/2; k\, k2— поправочные коэффициенты, учитывающие сопротивление контактных областей резистора (рис. 1.34, а — в и 1.35, а — г), зависящее от конфигурации контактной области резистора, соотношения размеров контактного окна Д, контактной области L2 и реальной ширины резистора b с каждой его стороны; п\ и п2 — число контактных площадок (обычно п = 2).
Следует учитывать, что реальная длина резистора I на кристалле будет меньше топологической длины ZTon на чертеже топологии за счет увеличения геометрических размеров контактных областей
I 0)
резистора с обоих концов в результате боковой диффузии. Поэтому сначала оценивают промежуточное значение длины резистора
/ц'^ом =/расч Н~ (^чрав-!- ^У. • 0-9)
За топологическую длину резистора /топ принимают ближайшее к /пром значение длины, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии.
б; 6)
Рис. 1.34. Линии тока и эквипотенциальные поверхности в резистивном слое:
а — при изгибе резистора под прямым углом; б—у металлического контакта; в — у металлического контакта пинч-резисгора
Рис. 1.35. Значения коэффициентов /г( и k2 для расчета диффузионных резисторов при различных конструкциях контактных областей:
а, г — для низкоомиых резисторов; б, в — для высокоомных резисторов
Реальная длина резистора на кристалле /=/.Г011-2(Д.,.рап + Д//). (1.10)
Отклонение размеров резистивной области за счет погрешностей Дтрав и Д// следует обязательно учитывать при определении величин L\ и Д2 и выборе коэффициентов kx и k2.
При окончательном определении топологических значений ЬТОп и /топ рассчитывают сопротивление спроектированного резистора и погрешность, используя реальные значения ширины и длины резистора на кристалле. При необходимости увеличивают ширину или длину резистора до значения, дающего приемлемую погрешность.
Сопротивление резисторов, показанных на рис. 1.15, определяют по формулам:
для резисторов рис. 1.15, а, б, г, д
R=?s(l/b+2k\t (1.11)
для резистора рис. 1.15, в
«=ps№+y*+3H; (1-12)
для резистора рис. 1.15, е
R = Ps (h/b + 2k + 0,55;VH3r), (1.13)
где /2— суммарная длина прямолинейных участков;
для пинч-резистора рис. 1.15, ж
R = ?Sl,/b + р51 (Л + ^Ib + 2^1, (1.14)
где р/—поверхностное сопротивление базового слоя, ограниченного эмиттерным слоем; ps — поверхностное сопротивление базового слоя.
Конструирование и расчет параметров конденсаторов. Исходными данными для расчета конденсаторов являются: необходимое значение емкости С и допуск на него ДС; рабочее напряжение U, В; интервал рабочих температур ДГ, °C; рабочая частота f, Гц; основные технологические и конструктивные ограничения. При расчете
г)
Рис. 1.36. Структуры конденсаторов полупроводниковых ИМС на основе переходов Э — Б (а), К — Б (б), К— П (в), параллельно включенных переходов Э—Б и К — Б (г), МДП-конденсатора (д)
необходимо выбрать тип и конструкцию конденсатора, определить его геометрические размеры, занимаемую площадь. На рис. 1.22, 1.23, 1.36, а — д представлены структуры конденсаторов полупроводниковых ИМС, их характеристики даны в табл. 1.8.
Емкость диффузионного конденсатора прямоугольной формы на основе обратно смещенного р-п-перехода
С=£Дон + Сбок= С$аЬ-\- Со6 (a-}-b) Xj, (1-15)
где Со и Соб — удельные емкости донной и боковых частей р-н-пс-рехода; а, b и Xj— геометрические размеры р-н-перехода.
Соотношение слагаемых зависит от отношения а/b. Оптимальным является отношение а/Ь—\, при этом доля «боковой» емкости оказывается минимальной. Для курсового проектирования достаточно определить Со и СОб из табл. 1.8.
По заданным значениям С, Со, СОб, Xj находят геометрические размеры конденсатора квадратной формы; если для топологии ИМС требуется конденсатор прямоугольной формы, то один из размеров прямоугольника выбирают, исходя из конструктивных соображений. Расчет еще более упрощается, если значением Сбои можно пренебречь. Для расчета ДС необходимо учесть погрешности технологии при выполнении геометрических размеров диффузионных слоев и отклонения емкости от номинального значения за счет изменения температуры.
Емкость МДП-конденсатора определяется выражением
C=O,O885e5/fif=Co5, (1.16)
где 8 и d — относительная диэлектрическая проницаемость (для SiO2 8=4) и толщина диэлектрика; Со — удельная емкость (см. табл. 1.8); S — площадь верхней обкладки конденсатора.
Рабочее напряжение МДП-конденсаторов (обычно 10—50 В) ограничено напряжением пробоя диэлектрика, которое рассчитывают по формуле Unp=Eapd, где Ещ>— электрическая прочность диэлектрика (для SiO2 Дпр—Ю7 В/см). При расчете геометрических размеров МДП-конденсатора задаются d, определяют Со и рассчитывают площадь верхней обкладки.
МДМ-конденсаторы совмещенных ИМС рассчитывают аналогично пленочным конденсаторам ГИМС (см. гл. 3).
При вычерчивании чертежа топологии конденсаторов их размеры корректируют с учетом шага координатной сетки.
Конструирование и выбор структуры интегральных транзисторов. Процесс проектирования планарных транзисторов состоит из следующих этапов: для данной серии ИМС или нескольких серий, исходя из быстродействия, потребляемой мощности, необходимой степени интеграции, задают электрические параметры транзисторов как базовых элементов ИМС; выбирают технологию производства ИМС, параметры материала подложки и эпитаксиального слоя, приближенно оценивают основные размеры конструкции транзисторов в плане и в сечении, проводят расчет электрических параметров транзисторов и, если они существенно отличаются от заданных, путем ступенчатого изменения конструктивных размеров и последующих расчетов подбирают геометрию всех областей транзисторной структуры, не выходя за рамки технологических ограничений. Затем осуществляют экспериментальную проверку проведенной рабо
ты: разрабатывают комплект фотошаблонов, выпускают опытные партии транзисторных структур и измеряют их характеристики. Если параметры транзисторов отличаются от заданных, то методом последовательных приближений путем изменения размеров транзисторных областей и их характеристик, корректировки режимов технологических процессов добиваются необходимого соответствия параметров.
Расчет транзисторов сложен, трудоемок, без применения ЭВМ практически невыполним, точность его невысока. Поэтому часто < этап расчета конструкции транзисторов опускают, акцентируя внимание на экспериментальном этапе. При этом на предприятии, выпускающем ИМС, формируют банк интегральных транзисторов с широким спектром характеристик. При тако^м подходе задача конструктора ИМС состоит в подборе конкретных типов интегральных транзисторов для данной ИМС в соответствии с ее электрической схемой.
Сначала выбирают физическую структуру различных областей транзистора. Удельное сопротивление подложки должно быть большим (1 —10 Ом-см), что обеспечивает высокое напряжение пробоя и малую емкость обратно смещенного р-п-перехода коллекторной подложки.
При выборе уровня легирования коллекторной области (эпитаксиального слоя) необходимо выполнить ряд противоречивых требований: для получения малого последовательного сопротивления коллектора уровень его легирования должен быть высокий, а для получения малой емкости и высокого напряжения пробоя перехода база — коллектор — низкий.
Обычно удельное сопротивление эпитаксиального слоя выбирают равным 0,1—0,5 Ом-см, а толщину — в пределах 2—15 мкм. Использование тонких эпитаксиальных слоев (до 3 мкм) позволяет уменьшить паразитные емкости и увеличить плотность размещения элементов. В структурах со скрытым п+-слоем и подлегированием области коллекторного контакта последовательное сопротивление коллектора составляет 10—50 Ом.
При выборе уровней легирования базовой и эмиттерной областей необходимо также учитывать несколько противоречивых требований. Так, для уменьшения паразитного сопротивления между активной областью базы и контактом к базе следует увеличивать уровень легирования базы. Однако это приводит к снижению эффективности эмиттера и уменьшению напряжения пробоя перехода база— эмиттер. Кроме того, поверхностная концентрация примеси в базовом слое не должна быть меньше 5-10!6 см-3, так как на поверхности этого слоя возможно образование инверсного проводящего канала и-типа, индуцированного встроенным зарядом в окисле.
Высокий уровень легирования эмиттера необходим для получения большого коэффициента инжекции. Однако при уровнях легирования эмиттерной области, достигающих предела растворимости примеси в кремнии, в кристаллической решетке образуются точечные и линейные дефекты, которые значительно уменьшают время
жизни носителей заряда, что, в свою очередь, приводит к уменьшению коэффициента инжекции.
Частотные характеристики транзисторов зависят в основном от паразитных емкостей переходов и последовательных сопротивлений его областей. Влияние паразитных параметров уменьшают конструктивно за счет максимально возможного уменьшения геометрических размеров транзистора.
После выбора физической структуры выбирают конфигурацию транзистора. Поскольку характеристики в значительной степени зависят от размеров различных областей транзистора, нужно учитывать, что периметр эмиттера определяет токовые характеристики транзистора, площадь эмиттера — частотные характеристики, площадь базы — емкость перехода база — коллектор и распределенное сопротивление базы, площадь коллектора — емкость перехода коллектор — подложка и последовательное сопротивление коллектора.
В маломощных (0,3<Р<3 мВт) и микромощных (1<Л< <300 мкВт) цифровых ИМС размеры всех областей транзистора стремятся выполнить минимальными, на пределе возможностей технологии, хотя это может привести к снижению выхода годных изделий.
Обычно анализируют несколько типовых конфигураций транзисторов, представленных на рис. 1.37, где сплошными линиями обозначены границы диффузионных областей, а пунктирными — границы вскрытия окон в пленке двуокиси кремния для последующего формирования металлических контактов. Для микромощных схем наиболее пригодна полосковая конструкция транзистора (рис. 1.37, а, в).
Взаимное расположение контактов к различным областям транзисторной структуры выбирают в зависимости от конкретного топологического рисунка микросхемы и удобства расположения выводов транзистора. Если необходимо получить малое сопротивление коллектора, применяют транзисторы с увеличенной контактной областью к коллектору (рис. 1.37, б, г — ж). Для получения малого сопротивления базы и высокого коэффициента усиления используют конструкции с двумя контактами к базовой области (рис. 1.37, ж). Многоэмиттерные транзисторы (рис. 1.37, з — к) применяют во входных цепях схем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Конструкция, показанная на рис. 1.37, м, используется при формировании двух (или более) транзисторов, имеющих одинаковый потенциал на коллекторе.
Транзисторы средней (3<Р<25 мВт) й большой (25<Р< <250 мВт) мощностей работают в режимах высоких плотностей эмиттерного тока (200—3000 А/см2). Поэтому в мощных схемах целесообразны узкие эмиттеры с.большим периметром.
Топологию мощного транзистора разрабатывают так, чтобы обеспечить максимальное отношение периметра эмиттера к его площади. Это значительно увеличивает активную область транзистора и обеспечивает достаточно большой рабочий ток без увеличения размеров всей структуры. На рис. 1.3 представлена топология мощ-
кого транзистора с эмиттерной областью, выполненной в виде гребенки с зубцами, расположенными по одну сторону от общей пере-' мычки. Контакты эмиттера и базы располагаются рядом и чередуются. Возможны и другие варианты топологии эмиттерной области, '.акне транзисторы используют в выходных каскадах ИМС, когда требуется обеспечить достаточно большие мощности.
Отметим, что усложнение конструкции транзисторов повышен; ной мощности приводит к ряду нежелательных эффектов. Так, в результате технологического разброса параметров отдельные эле
Рис. 1.37. Банк данных о топологии интегральных биполярных транзисторов: одноэмиттерных (а — ж)-, многоэмиттерных (з — л); с общим коллектором (.«)
менты транзистора имеют различные сопротивления и входят в режим насыщения не одновременно. Это приводит к перегрузке низ-"коомных элементов.
- Для формирования транзисторов типа р-п-р одновременно с транзисторами типа п-р-п в одном технологическом процессе используют латеральные структуры (см. рис. 1.6, 1.7), в которых кол-
лекторную область располагают вокруг эмиттера для увеличения коэффициента усиления.
Конструирование и выбор структуры диодов ИМС. Банк данных диодных структур, выполненных по планарно-эпитаксиальной технологии, представлен на рис. 1.38, а — в. Диоды, сформированные на основе перехода эмиттер — база (см. рис. 1.11), характеризуются наименьшими значениями обратного тока за счет самой малой площади и самой узкой области объемного заряда. Обычно структурам диодов соответствуют обратные токи в пределах 0,1— 50,0 мА (см. табл. 1.3).
Рис. 1.38. Банк данных о топологии интегральных диодов: на переходе Б — К (а, б), на переходе Б — Э (в)
Наименьшей паразитной емкостью (~ 1,2 пФ) также обладают диодные структуры на основе перехода эмиттер — база. Для других структур значение паразитной емкости порядка 3 пФ.
Быстродействие диодов кроме паразитной емкости характеризуется временем восстановления обратного сопротивления, т. е. временем переключения диода из открытого состояния в закрытое. Оно минимально (около 10 нс) для перехода эмиттер — база при условии, что переход коллектор — база закорочен (см. рис. 1.11, а), так как при такой диодной структуре заряд накапливается только в базовом слое. В других структурах заряд накапливается не только в базе, но и в коллекторе и время восстановления обратного сопротивления составляет 50—100 нс.
Из анализа параметров диодов можно заключить, что диод на основе транзисторной-структуры с замкнутым переходом база — коллектор предпочтительнее использовать в цифровых ИМС, поскольку он обеспечивает наибольшее быстродействие. Диод на основе перехода эмиттер — база применяют в цифровых схемах в качестве накопительного диода. Диоды с замкнутым переходом база— эмиттер и диоды на основе перехода база — коллектор, имеющие наибольшие напряжения пробоя, могут быть использованы в качестве диодов общего назначения.
§ 1.4. Разработка топологии ИМС
Основой для разработки топологии полупроводниковой ИМС являются электрическая схема, требования к электрическим параметрам и к параметрам активных и пассивных элементов, конструктивно-технологические требования и ограничения.
Разработка чертежа топологии включает в себя такие этапы: выбор конструкции и расчет активных и пассивных элементов ИМС; размещение элементов на поверхности и в объеме подложки и создание рисунка разводки (коммутации) между элементами; разработку предварительного варианта топологии; оценку качества топологии и ее оптимизацию; разработку окончательного варианта топологии. Целью работы конструктора при разработке топологии является минимизация площади кристалла ИМС, минимизация суммарной длины разводки и числа пересечений в ней.
Конструктивно-технологические ограничения при разработке топологии ИМС на биполярных транзисторах. Электрофизические .характеристики и геометрические размеры вертикальной структуры элементов ИМС, формируемых по планарно-эпитаксиальной технологии, приведены в табл. 1.1.
Важнейшей технологической характеристикой, определяющей горизонтальные размеры областей транзисторов и других элементов ИМС, является минимальный геометрический размер, который сможет быть уверенно сформирован при заданном уровне технологии, например минимальная ширина окна в окисле кремния, минимальная ширина проводника, минимальный ками, минимальное расстояние между краями эмиттерной и базовой областей и т. д. Пусть минимальный размер, который может обеспечить технология, равен d. Тогда размеры активных областей и самого транзистора при минимальной его площади определятся величинами, приведенными на рис. 1.39. Зазор между областью, занимаемой транзистором, и другими элементами ИМС больше минимального размера d на величину боковой диффузии под окисел, которая при разделительной .диффузии примерно равна толщине эпитаксиального слоя г/я. Таким образом, .при минимальном размере 10 мкм минималь
ная длина транзистора простейшей конструкции будет равна ~ 130 мкм. При достигнутом в настоящее время' уровне технологии, характеризующемся минимальным размером 4 мкм, минимальная .длина транзистора равна ~60 мкм. При минимальном размере 1,5—2 мкм, предельном для оптической фотолитографии, размер транзистора при da — 3 мкм составит ~28 мкм.
Приведенные рассуждения верны, если суммарная величина «боковой диффузии при формировании базовой и эмиттерной обла-
Рнс. 1.39. Соотношение размеров областей транзистора со стандартным размером d
стен существенно меньше d. Если это условие не выполняется, то для минимально допустимого топологического зазора между двумя диффузионными областями справедливо соотношение
^д.о 4~ 5ф , (1-17)
где г/1 и у2— величины боковой диффузии под окисел; бф— суммарная допустимая ошибка в положении края окон под диффузию за счет фотолитографии; Wj — максимальная ширина области объемного заряда в работающем приборе.
Приведенное неравенство можно не учитывать при <7=10 мкм (см., например, рис. 1.40), но при d^5 мкм с ним приходится считаться и снижение линейных размеров транзисторов с дальнейшим уменьшением d будет проходить уже не столь высокими темпами.
Рис. 1.40. Вертикальная структура планарно-эпитаксиального биполярного транзистора с двумя выводами базы и кольцевым выводом коллектора, выполненная в масштабе (разводка не показана):
/ — скрытый п+-слой; 2 — подложка р-типа; 3 — коллектор (эпитаксиальный слой); 4—область разделительной диффузии
Рис. 1.41. Конструктивно-технологические ограничения при разработке топологии ИМС на биполярных транзисторах
Конструктивно-технологические ограничения, которые необходимо учитывать при разработке топологии ИМС на биполярных транзисторах, приведены на рис. 1.41. Приведем конструктивно-технологические ограничения при конструировании ИМС на биполярных транзисторах, выполненных по планарно-эпитаксиальной технологии с использованием изоляции р-п-переходом.
Минимально допустимые размеры, мкм
Ширина линии скрайбирования слоя .................. 60
Расстояние от центра скрайбирующей полосы до края слоя металлизации или до края диффузионной области ............................................... 50—100
Размер контактных площадок для термокомпрессионной приварки проводников di............................ 100X100
Расстояние между контактными площадками d2......... 70
Размер контактных площадок тестовых элементов рабочей схемы.......................................... 50X50
Ширина проводника d3t при длине sy50 мкм........................ 4
при длине ^50 мкм...........................g
Расстояние между проводниками de при длине ^50 мкм......................... 3
при длине ^50 мкм............................ 4
Ширина области разделительной диффузии d$.......... 4
Расстояние от базы до области разделительной диффузии d6............................................ ю
Расстояние между краем области подлегирования коллекторного контакта и краем разделительной области d7............................................ Ю
Расстояние между краем разделительной области и краем скрытого «+-СЛОЯ d8.......................... Ю
Расстояние между краем контактного окна в окисле к коллектору и краем базы d2......................у
Расстояние между краем контактного окна в окисле к базе и краем базы dl0.......................... 3
Расстояние между эмиттерной и базовой областями du 3
Расстояние между краем контактного окна в окисле к эмиттеру и краем эмиттера d12..................... 3
Расстояние между контактным окном к базе и эмиттером Ц,3........................................... 4
Расстояние между базовыми областями, сформированными в одном коллекторе........................... 9
Расстояние между эмиттерными областями, сформированными в одной базе.............................. 6
Расстояние между контактным окном к коллектору и областью разделительной диффузии d14............. Ц)
Размеры контактного окна к базе d{................. 4X0
Размеры контактного окна к эмиттеру dl6............ 4x4 или
3X5
Ширина области подлегировання л+-слоя в коллекторе dv............................................. 8
Ширина контактного окна к коллектору dis......... 4
Ширина резистора di9............................... 5
Размеры окна вскрытия в окисле.................. 2,5X2,5
Перекрытие металлизацией контактных окон в окисле к элементам ИМС d20................................. 2
Расстояние от края контактного окна к /^-разделительным областям для подачи смещения до края области разделения d2i.................................... 6
Расстояние от края контактного окна к изолированным областям, n-типа для подачи смещения до края области разделения d22................................ 6
Ширина диффузионной перемычки..................... 3
Размер окна в пассивирующем окисле d23 ........... 100X100
Расстояние от края окна в пассивации до края контактной площадки с?24................................. 6
Расстояние между соседними резисторами d23....... 7
Расстояние между диффузионными и ионно-легированными резисторами.................................. 4
Расстояние между контактной площадкой и проводящей дорожкой d2e................................. 20
Ширина скрытого и+-слоя........................... -1
Расстояние между контактными площадками тестовых элементов........................................ 40
Следует обращать особое внимание на размеры топологических зазоров, так как при неоправданно малых их значениях ИМС или не будет функционировать из-за перекрытия областей структуры (например, базовой области и области разделительной диффузии), или будет иметь искаженные параметры за счет усиления паразитных связей между элементами. С другой стороны, завышение размеров топологических зазоров приводит к увеличению площади кристалла.
Правила проектирования топологии полупроводниковой ИМС. Разработка топологии ИМС — творческий процесс, и его результаты существенно зависят от индивидуальных способностей разработчика, его навыков и знаний. Сущность работы по созданию топологии ИМС сводится к нахождению такого оптимального варианта взаимного расположения элементов схемы, при котором обеспечиваются высокие показатели эффективности производства и качества ИМС: низкий уровень бракованных изделий, низкая стоимость, материалоемкость, высокая надежность, соответствие получаемых электрических параметров заданным. Приводимые здесь правила проектирования являются обобщением опыта проектирования ИМС на биполярных транзисторах.
К разработке топологии приступают после того, как количество, типы и геометрическая форма элементов ИМС определены.
Правила проектирования изолированных областей. Количество и размеры изолированных областей оказывают существенное влияние на характеристики ИМС, поэтому:
1) суммарная площадь изолирующих р-п-переходов должна быть минимальной, так как их емкость является паразитной. Минимальные размеры изолированной области определяются геометрическими размерами находящихся в ней элементов и зазорами, которые необходимо выдерживать между краем изолированной области и элементами и между самими элементами, размещенными в одной изолированной ообласти;
2) к изолирующим р-п-переходам всегда должно быть приложено напряжение обратного смещения, что практически осуществляется подсоединением подложки p-типа, или области разделительной диффузии p-типа, к точке схемы с наиболее отрицательным
потенциалом. При этом суммарное обратное напряжение, приложенное к изолирующему р-лг-переходу, не должно превышать напряжения пробоя;
3) диффузионные резисторы, формируемые на основе базового слоя, можно располагать в одной изолированной области, которая, подключается к точке схемы с наибольшим положительным потенциалом. Обычно такой точкой является контактная площадка ИМС, на которую подается напряжение смещения от коллекторного' источника щтания (рис. 1.42, а, бу,
Рис. 1.42. Принципиальная электрическая схема цифровой ИМС на токовых ключах (а) н преобразованная электрическая схема для составления эскиза-топологии (б)
4) резисторы на основе эмиттерного и коллекторного слоев следует располагать в отдельных изолированных областях;
5) транзисторы типа п-р-п, коллекторы которых подсоединены непосредственно к источнику питания, целесообразно размещать в; одной изолированной области вместе с резисторами;
6) транзисторы типа п-р-п, которые включены по схеме с общим; коллектором, можно располагать в одной изолированной области;,
7) все другие транзисторы, кроме упомянутых в п. 5 и 6, необходимо располагать в отдельных изолированных областях, т. е. все коллекторные области, имеющие различные потенциалы, должны быть изолированы;
8) для уменьшения паразитной емкости между контактными площадками и подложкой, а также для защиты от короткого замыкания в случае нарушения целостности пленки окисла под ними при приварке проволочных выводов под каждой контактной площадкой создают изолированную область, за исключением контактных площадок с наиболее отрицательным потенциалом;
9) количество изолированных областей для диодов может сильно изменяться в зависимости от типа диодов и способов их вклю
чения. Если в качестве диодов используются переходы база — коллектор, то для каждого диода требуется отдельная изолированная область, так как каждый катод (коллекторная область n-типа) должен иметь отдельный вывод (рис. 1.43, а). Если в качестве диодов используются переходы эмиттер — база, то все диоды можно поместить в одной изолированной области.'При этом все катоды диодов (эмиттериые области) сформированы отдельно в общем аноде (базовой области, рис. 1.43, б). Аноды диодов с помощью соединительной металлизации закорачивают на изолированную (коллекторную) область;
Рис. 1.43. Принципиальные электрические схемы и конструкции трех диодов с общими анодами:
а—на основе перехода Б—К (1—базовые области р-тнпа; 2— коллекторные области п-типа; 3— подложка; 4 — коллекторные контакты); б — на основе перехода БК—Э (/ — подложка; 2 — коллекторная область л-типа; 3 — базовая область р-типа; 4 — эмнттерные области п-типа; 5—перемычка коллектор — база).
10) для диффузионных конденсаторов требуются отдельные изолированные области. Исключение составляют случаи, когда один из выводов конденсатора является общим с другой изолированной областью;
11) для диффузионных перемычек всегда требуются отдельные изолированные области.
Правила размещения элементов ИМС на площади кристалла. После определения количества изолированных областей приступают к их размещению в нужном порядке, размещению элементов, соединению элементов между собой и с контактными площадками, руководствуясь следующими правилами:
1) при размещении элементов ИМС и выполнении зазоров между ними необходимо строго выполнять ограничения (см. рис. 1.41), соответствующие типовому технологическому процессу;
2) резисторы, у которых нужно точно выдерживать отношение номиналов, должны иметь одинаковую ширину и конфигурацию и располагаться рядом друг с другом. Это относится и к другим элементам ИМС, у которых требуется обеспечить точное соотношение их характеристик;
3) резисторы с большой мощностью не следует располагать вблизи активных элементов;
4) диффузионные резисторы можно пересекать проводящей’дорожкой поверх слоя окисла кремния, покрывающего резистор (см. рис. 1.42, 6);
5) форма и место расположения конденсаторов не являются критичными?
6) соединения, используемые для ввода питания, заземления, входной и выходной выводы, необходимо выполнять в виде широких и коротких полосок, что уменьшает паразитные сопротивления;
7) для улучшения развязки между изолированными областями контакт к подложке следует располагать рядом с мощным транзистором или как можно ближе к входу или выходу схемы;
8) число внешних выводов в схеме, а также порядок расположения и обозначения контактных площадок выводов ИМС на кристалле должны соответствовать выводам корпуса;
9) коммутация в ИМС должна иметь минимальное количество пересечений и минимальную длину проводящих дорожек. Если полностью избежать пересечений не удается, их можно осуществить, используя обкладки конденсаторов, формируя дополнительные контакты к коллекторным областям транзисторов, применяя диффузионные перемычки и, наконец, создавая дополнительный слой изоляции между пересекающимися проводниками;
10) первую контактную площадку располагают в нижнем левом углу кристалла и отличают от остальных по ее положению относительно фигур, совмещения или заранее оговоренных элементов топологии. Нумерацию остальных контактных площадок проводят против часовой стрелки. Контактные площадки располагают в зависимости от типа выбранного корпуса по периметру кристалла или по двум противоположным его сторонам;
11) фигуры совмещения располагают одной-двумя группами на любом свободном месте кристалла;
12) при разработке аналоговых ИМС элементы входных дифференциальных каскадов должны иметь одинаковую топологию и быть одинаково ориентированными в плоскости кристалла; для уменьшения тепловой связи входные и выходные каскады должны быть максимально удалены; для уменьшения высокочастотной связи через подложку контакт к ней следует осуществлять в двух точках— вблизи входных и выходных каскадов.
Рекомендации по разработке эскиза топологии. Для обеспечения разработки эскиза топологии рекомендуется с самого начала вычертить принципиальную .электрическую схему так, чтобы ее выводы были расположены в необходимой последовательности (см. рис. 1.42, б). Каждая линия, пересекающая резистор на принципиальной электрической схеме, будет соответствовать металлизированной дорожке, пересекающей диффузионный резистор по окислу на топологической схеме.
На этапе эскизного проектирования топологии необходимо предусмотреть решение следующих задач: расположить как можно большее число резисторов в одной изолированной области; подать наибольший потенциал на изолированную область, где размещены
резисторы; подать наиболее отрицательный потенциал на подложку вблизи мощного транзистора выходного каскада; рассредоточить элементы, на которых рассеиваются большие мощности; расположить элементы с наименьшими размерами и с наименьшими запасами на совмещение в центре эскиза топологии; сократить число изолированных областей! и уменьшить периметр каждой изолиро-.ванной области.
В случае если принципиальная электрическая схема содержит обособленные группы или периодически повторяющиеся группы элементов, объединенных в одно целое с точки зрения выполняемых ими функций, разработку рекомендуется начинать с составления эскизов топологии для отдельных групп элементов, затем объединить эти эскизы в один, соответствующий всей схеме.
На основе эскиза разрабатывают предварительный вариант топологии, который вычерчивают на миллиметровой бумаге в выбранном масштабе, обычно 100:1 или 200: 1 (выбирают масштабы, кратные 100). Топологию проектируют в прямоугольной системе координат. Каждый элемент топологии представляет собой замкнутую фигуру со сторонами, состоящими из отрезков прямых линий, параллельных осям координат. Придание элементам форм в виде отрезков прямых линий, не параллельных осям координат, допустимо только в тех случаях, когда это приводит к значительному упрощению формы элемента. Например, если форма элемента состоит из ломаных прямых, составленных в виде «ступенек» с мелким шагом, рекомендуется заменить их одной прямой линией. Координаты всех точек, расположенных в вершинах углов ломаных линий, должны быть кратны шагу координатной сетки.
При вычерчивании чертежа топологии на миллиметровой бумаге принимают минимальный шаг координатной сетки, равный 0,5 мм. Можно выбрать другой шаг, но он должен быть кратным минимальному. Действительный (на кристалле) размер шага координатной сетки зависит от выбранного масштаба топологии.
При вычерчивании общего вида топологии рекомендуется использовать линии разного цвета для различных слоев ИМС: эмит-терного — черный, базового — красный, разделительного (коллекторного)— зеленый, вертикального — черный пунктирный, скрытого — зеленый пунктирный, металлизации — желтый, окна в окисле для контакта к элементам — синий пунктирный, окна в пассивирующем (защитном) окисле—синий сплошной.
В процессе вычерчивания топологии для получения оптимальной компоновки возможно изменение геометрии пассивных элементов, например пропорциональное увеличение длины и ширины резисторов или их многократный изгиб, позволяющие провести над резистором полоски металлической разводки или получить более плотную упаковку элементов. При изменении формы пассивных элементов в процессе их размещения проводят корректировочные расчеты в соответствии с формулами и рекомендациями, изложенными в § 1.3.
При проектировании слоя металлизации размеры контактных площадок и проводников следует брать минимально допустимыми, а расстояния между ними — максимально возможными.
После выбора расположения элементов и контактных площадок, создания рисунка разводки необходимо разместить на топологии фигуры совмещения, тестовые элементы (транзисторы, резисторы и т. д.— приборы, предназначенные для замера электрических параметров отдельных элементов схемы), реперные знаки. Фигуры совмещения могут иметь любую форму из приведенных на рис. 1.27 (чаще всего квадрат или крест), причем надо учесть, что на каждом фотошаблоне, кроме первого и последнего, имеются две фигуры, расположенные рядом друг с другом. Меньшая фигура предназначена для совмещения с предыдущей технологической операцией, а большая — с последующей. На первом фотошаблоне расположена только большая фигура, а на последнем — только меньшая.
При разработке топологии важно получить минимальную площадь кристалла ИМС. Это позволяет увеличить производительность, снизить материалоемкость и повысить выход годных ИМС, поскольку на одной полупроводниковой пластине можно разместить большее число кристаллов и уменьшить вероятность попадания дефектов, приходящихся на кристалл. При размерах стороны кристалла до 1 мм ее величину выбирают кратной 0,05 мм, а при размерах стороны кристалла 1—2 мм — кратной 0,1 мм.
Для любой принципиальной электрической схемы можно получить много приемлемых предварительных вариантов топологии, удовлетворяющих электрическим, технологическим и конструктивным требованиям. Любой предварительный вариант подлежит дальнейшей доработке.
Если после уплотненного размещения всех элементов на кристалле выбранного размера осталась незанятая площадь, рекомендуется перейти на меньший размер кристалла. Если этот переход невозможен, то незанятую площадь кристалла можно использовать для внесения в топологию изменений, направленных на снижение требований к технологии изготовления полупроводниковой ИМС. Например, можно увеличить размеры контактных площадок и расстояния между контактными площадками, ширину проводников и расстояние между ними, по возможности выпрямить элементы разводки, резисторы, границы изолированных областей.
В заключение производят контрольно-проверочные расчеты полученной топологии микросхемы, включающие в себя оценку теплового режима и паразитных связей.
Проверка правильности разработки топологии ИМС. Последний из составленных и удовлетворяющий всем требованиям вариант топологии подвергают проверке в такой последовательности; Проверяют соответствие технологическим ограничениям: минимальных расстояний между элементами, принадлежащими одному и разным слоям ИМС; минимальных размеров элементов, принятых в данной технологии, и других технологических ограничений; наличие фигур совмещения для всех слоев ИМС;
размеров контактных площадок для присоединения гибких выводов; расчетных размеров элементов их размерам на чертеже топологии; мощности рассеяния резисторов, максимально допустимой удельной мощности рассеяния {Pq = P!Sr^ 1034-104 мВт/мм2), а также обеспечение возможности контроля характеристик элементов ИМС.
Разработка документации на комплект фотошаблонов для производства ИМС. Исходя из окончательного и проверочного варианта топологии ИМС, выполняют чертежи слоев схемы, необходимые для создания комплекта фотошаблонов. Для ИМС со скрытым слоем и изоляцией элементов р-п-переходами, изготовляемой по планарно-эпитаксиальной технологии, необходим комплект из семи фотошаблонов для проведения следующих фотолитографических операций: 1 — вскрытия окон в окисле под локальную диффузию донорной примеси при создании скрытых слоев перед операцией эпитаксии; 2 — вскрытия окон в окисле под разделительную диффузию акцепторной примеси при создании изолирующих областей; 3 — вскрытия окон в окисле под локальную диффузию акцепторной примеси при создании базовой области транзисторов и резисторов; 4 — вскрытия окон в окисле под локальную диффузию донорной примеси при создании эмиттерных областей транзисторов, резисторов, диффузионных перемычек и прикоптактных областей в коллекторах транзисторов; 5 — вскрытия окон в окисле под. контакты разводки к элементам ИМС; 6 — фотолитографии по пленке алюминия для создания рисунка разводки и контактных площадок; 7 — фотолитографии по пленке защитного диэлектрика для вскрытия окон к контактным площадкам ИМС.
Пример разработки топологии ИМС
На рис. 1.44 а представлена принципиальная электрическая схема логического элемента И — НЕ диодно-транзисторной логики. Активными элементами схемы являются транзистор промежуточного каскада Д, транзистор выходного каскада Т2, входные диоды Д{—Д<, диод промежуточного каскада Д5, пассивными элементами — резисторы Д—R^.
После проверочного расчета схемы проводят расчет геометрических (топологических) размеров пассивных и активных элементов.
Для схемы рис. 1.44 а в качестве транзистора промежуточного каскада Tt выбран из банка транзисторов одноэмиттерный однобазовый транзистор с полосковой контактной областью к коллектору (см. рис. 1.37, в). На основе структуры транзистора Т< сформированы диод Д$ и тестовый транзистор (рис. 1.44 в).
Транзистор выходного каскада Т2 является более мощным. В качестве этого транзистора выбран одноэмиттерный однобазовый транзистор с П-образной контактной областью к коллектору (см. рис. 1.37, г).
В качестве входных диодов Д}—Д4 выбран диод на основе р-и-перехода база — коллектор транзисторной структуры.. Диод промежуточного каскада Д$ выполняют на переходе эмиттер — база той же транзисторной структуры. Исходными данными для разработки эскиза топологии являются принципиальная электрическая схема, геометрические размеры активных элементов, геометрические размеры резисторов. Проектирование эскиза топологии (рис. 1.44 б) рекомендуется начинать с какой-либо контактной площадки, затем последовательно переходить от одного элемента к другому, по возможности располагая элементы, соединенные между собой, в непосредственной близости друг от друга и учитывая требования к расположению контактных площадок. На рис. 1.44 б показан первый вариант эскиза топологии логического элемента И — НЕ.
Рис. 1.44а. Принципиальная электрическая схема логического элемента И — НЕ
Рис. 1,446. Эскиз топологии логического элемента И — НЕ
Окончательный вид топологии приведен на рис. 1.44 в. На кристалле предусмотрен тестовый транзистор, предназначенный для контроля параметров транзисторов схемы. Он имеет такую же конфигурацию, что н транзистор 1\. Контакт-
Рис. 1.44в. Топология логического элемента И — НЕ
ные площадки тестового транзистора имеют форму, отличную от формы контактных площадок схемы.
Фигуры совмещения имеют форму квадратов. Запас на совмещение для квадратов составляет 5 мкм.
Глава 2
КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИМС НА УНИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
§ 2.1. Механизм работы и классификация
МД П-транзисторов
МДП-транзисторы отличаются от биполярных транзисторов, поскольку механизм их работы основан на перемещении только основных носителей заряда. В связи с этим их называют униполярными. Эти транзисторы имеют преимущества перед биполярными: малый уровень шумов, большая стойкость к радиационным излучениям, устойчивость от перегрузок по току, высокое входное сопротивление. К недостаткам следует отнести меньшее быстродействие, 56
худшую технологическую воспроизводимость параметров и большую временную нестабильность.
МДП-транзистор имеет четыре электрода, которые называют истоком, стоком, затвором и подложкой (рис. 2.1, а). Принцип .действия МДП-транзистора основан на эффекте изменения электропроводности поверхностного слоя полупроводника между стоком и истоком под действием напряжения, приложенного к управляющему электроду (затвору), отделенному от поверхности полупроводника тонким слоем диэлектрика. Участок полупроводника с изменяющейся электропроводностью называют каналом и изображают на чертежах в виде скрещенных тонких линий.
Существуют две разновидности МДП-транзпсторов: с встроенным каналом и с индуцированным каналом.
Рис. 2.2. МДП-транзистор с индуцированным каналом /г-типа: а — упрощенная конструкция; б—условное обозначение
Рис. 2.1. МДП-транзистор с индуцированным каналом р-типа:
а — упрощенная конструкция; б — условное обозначение
В МДП-транзисторе с индуцированным каналом (рис. 2.1, а, 2.2, о) при нулевом напряжении па затворе канал отсутствует. Если увеличивать напряжение на затворе (по модулю), то при некотором значении напряжения затвор — исток [Д, называемом пороговым напряжением, на поверхности полупроводника будет индуцироваться инверсный слой, электропроводность которого совпадает с электропроводностью истока и стока. В результате образования этого слоя области стока и истока оказываются соединенными тонким токопроводящим каналом и во внешней цепи возникает ток.
Структура ЛАДП-транзистора с встроенным каналом такова, мто создание канала в топком приповерхностном слое полупроводника предусматривается самой технологией производства. Поэтому конструкция такого транзистора будет отличаться от конструкций, представленных на рис. 2.1, а, 2.2, а, изображением нижней границы канала сплошной линией. Электропроводность канала обязательно совпадает с электропроводностью стока и истока. Поскольку электропроводность подложки обратна электропроводности канала, области стока, истока и капала отделены от подложки
р-«-переходом. Ток в канале такого транзистора может возникать и при нулевом смещении на затворе.
Исток и сток в принципе обратимы, и их можно менять местами при включении транзистора в схему. В этом случае при симметричной структуре транзистора его параметры сохраняются, а при несимметричной структуре (сток и исток могут различаться формой, площадями) они будут отличаться.
В связи с тем, что до последнего времени наибольшее применение в цифровых ИМС получили МДП-транзисторы с индуцированным каналом, дальнейшее изложение будет относиться к транзисторам этого типа.
По электропроводности канала различают р-канальные и «-канальные МДП-транзисторы. Упрощенная конструкция этих приборов показана на рис. 2.1, а, 2.2, а, а условное обозначение на электрических схемах—на рис. 2.1, б, 2.2, б.
Существует классификация МДП-транзисторов по конструктивно-технологическим признакам (чаще по виду материала затвора) (см. §2.3).
Интегральные микросхемы, содержащие одновременно р-ка-нальные и «-канальные МДП-транзисторы, называют комплементарными (сокращенно КМДП-ИМС). КМДП-ИМС отличаются высокой помехоустойчивостью, малой потребляемой мощностью, высоким быстродействием. Эти преимущества, однако, достигаются за счет более сложной технологии с меньшим выходом годных схем.
§ 2.2. Особенности использования МДП-транзистора
как типового схемного элемента ИМС
В электрических схемах цифровых ИМС кроме активных элементов (МДП-транзисторов) широко используют резисторы больших номиналов и конденсаторы. Резисторы являются нагрузками ключевых схем (инверторов), рассматриваемых далее, а конденсаторы находят применение при проектировании ячеек памяти запоминающих устройств.
Проектирование резисторов по аналогии с полупроводниковыми ИМС на биполярных транзисторах в МДП-ИМС является-нецелесообразным по двумя причинам: площадь диффузионного резистора большого номинала (^20 кОм) почти'на порядок превышает площадь активного МДП-прибора; паразитная емкость резистор — подложка диффузионного резистора значительна и существенно ухудшает частотные свойства схемы.
Поэтому для получения большей степени интеграции в МДП-ИМС в качестве резисторов нагрузки используют так называемые нагрузочные МДП-транзисторы. Эти транзисторы имеют конструкцию, сходную с МДП-транзисторами, работающими в активном режиме. Необходимый номинал резистора достигается подачей на затвор нагрузочного МДП-транзистора определенного потенциала и подбором геометрических размеров канала.
При необходимости спроектировать конденсатор в МДП-ИМС
можно использовать емкость затвор — подложка или сток (исток) — подложка МДП-транзисторов. Требуемое значение емкости конденсатора обеспечивается площадью областей затвора, стока или истока МДП-транзистора.
На основании изложенного можно утверждать, что МДП-тран-зистор является типовым схемным элементом МДП-ИМС и может выполнять функции как активных приборов (ключевой транзистор в инверторе, усилительный транзистор и т. д.), так и пассивных элементов (нагрузочный транзистор в инверторе, конденсатор в ячейке памяти и т. д.). Это позволяет при проектировании МДП-ИМС обходиться только использованием МДП-транзисторов, конструктивные параметры и схема включения которых будут зависеть от выполняемой функции.
§ 2.3. Технологические процессы производства МДП-ИМС
В МДП-ИМС нет необходимости применять дополнительные области для изоляции элементов друг от друга, в связи с чем степень интеграции МДП-ИМС выше, чем степень интеграции ИМС на биполярных транзисторах, а технологические маршруты их изготовления содержат меньшее количество операций.
Наибольшее распространение получили следующие маршруты производства: технология МДП-ИМС на р-канальных транзисторах с алюминиевыми и кремниевыми затворами, технология МДП-ИМС
на /г-канальных транзисторах с кремниевыми затворами, технология КМДП-ИМС с алюминиевыми, молибденовыми или кремниевыми затворами.
На рис. 2.3 показана последовательность технологических операций при производстве р-ка-нальных МДП-ИМС с алюминиевыми затворами, на рис. 2.4 — /z-канальных МДП-ИМС с кремниевыми затворами и на рис. 2.5 — маршрут производства КМДП-ИМС с кремниевыми затворами.
Укажем лишь некоторые характерные параметры областей и слоев МДП-структур, приведенных на рис. 2.3—2.5: для ионно-легированных п+-областей ps=30-4-35 Ом/П, глубина залегания
Рис. 2.3. Последовательность технологических операций при производстве р-канальных МДП-ИМС с алюминиевыми за-
творами:
1 — окисление кремниевой пластины л-типа; 2 — фотолитография для вскрытия окон под области стоков, истоков и диффузионных шин; 3 — локальная загонка примеси p-типа в поверхностную область будущих стоков и истоков методом ионного легирования и второе окисление с одновременной разгонкой примеси; 4—фотолитография для удаления окисла с подзатворных областей; 5 — формирование подзатворного диэлектрика окислением в сухом кислороде и дополнительная разгонка примеси в областях стоков и истоков; 6 — фотолитография для вскрытия окон под контакты к областям стока, истока и диффузионным шинам; 7 — нанесение пленки алюминия и фотолитография для создания рисунка разводки; 8—нанесение пассивирующего слоя ФСС с последующим фотолитографическим вскрытием окон над контактными площадками и областями скрайбирования
р-п-перехода Х/=(1,0±0,2) мкм; для р+-области ps=404-60 Ом/П_ Х/=(1,5±0,3) мкм; области р-карманов, являющиеся как бы подложкой /г-канального транзистора в КМДП-ИМС, легированы до. концентрации 2-1016 ат/см3 и имеют значение х/ = (6±1) мкм; пленки поликристаллического кремния толщиной ^0,5 мкм, используемые в качестве проводящих шин, имеют р$=£$50 Ом/П при легировании их фосфором и pssC ЮО Ом/П при легировании бором. Толщина защитного окисла составляет ~ 1 мкм, толщина подзатворного окисла, получаемого методом термического окисления в сухом, кислороде, 0,07—0,10 мкм.
§ 2.4. Основные параметры МДП-структур и МДП-транзисторов
Для удобства проектирования МДП-ИМС целесообразно рассмотреть электрофизические параметры исходной полупроводниковой (кремниевой) подложки, а также конструктивные и электрические параметры МДП-трапзисторов и их связь между собой.
К электрофизическим параметрам кремния, влияющим на ха-
рактеристики МДП-структур, относятся: тип электропроводности п(р); концентрация примеси в пластине No, см-3 или удельное объ-
емное сопротивление ру, Ом-см; подвижность носителей заряда в канале цп или цР, см2/(В-с); концент-
рация поверхностных СОСТОЯНИЙ АПов> см-2; диэлектрическая проницаемость 8п.
Основными конструктивными параметрами МДП-транзистора (рис. 2.6) являются: длина канала /к, мкм; ширина канала Ьк, мкм; толщина затворного диэлектрика йд, мкм. Остальные конструктивные параметры [размеры затвора, областей стока (истока), толщина стока (истока) и т. д.] являются вспомогательными и определяются при проектировании по технологическим ограничениям на размеры МДП-струк-
Рпс. 2.6. К определению конструктивных параметров МДП-транзистора
тур (см. табл. 2.1).
К основным электрическим параметрам и характеристикам МДП-тран-
зисторов относятся: стоковая характе-
ристика /с=/(^с) при £73 = const; стоко-затворная характеристика /е = /(Д3) при £7e = const; пороговое напряжение Uo, В; крутизна S,. A/В, и удельная крутизна 50, A/В2; дифференциальное сопротивление канала Дк, Ом; входное сопротивление Rnx, МОм; паразитные межэлектродные емкости Сзп, Сзп, Сзс, Сс„, СИп, Ссп, пФ; постоянная
времени канала тк, нс.
Рассмотрим параметры Uo, S, So и RK на основе анализа стоковых и стоко-затворных характеристик МДП-транзистора без учета токов утечки в схеме включения с общим истоком (рис. 2.7, а), как наиболее распространенной в цифровых ИМС.
Семейство стоковых характеристик п- и р-канальных МДП-тран-зисторов приведено на рис. 2.7, б. Условно их можно разделить на
статические характеристики п- и р-канальных МДП-транзисторов
два участка: крутой и пологий, где наблюдается насыщение стокового тока /с при достаточно большом стоковом напряжении UQ. Границу насыщения характеризуют напряжением насыщения
UCH=U3-U0 (2.1)
(знаки при U3 и Uo соответствуют типу электропроводности индуцированного канала).
Семейство стоко-затворных характеристик приведено на рис. 2.7, в. Начало всех характеристик соответствует пороговому напряжению До. При стоковых напряжениях, соответствующих режиму насыщения (Пс^Дсп), характеристики практически сливаются.
Аналитическое выражение стоковой характеристики имеет вид /с = д£зЛ_[2^с(6/3-670)-^] при£/с</7з_£/0(КруТой участок), 21к . (2.2)
/с = Z70)2 при Uz">U3 — Uq (пологий участок),
(2-3)
где Сзо — удельная емкость затвора относительно канала, определяемая по формуле
£30 = г0£дМд (2-4)
(ед — диэлектрическая проницаемость затворного диэлектрика).
Усилительные свойства МДП-транзистора характеризуются крутизной стоко-затворной характеристики:""-
е dlc I
dU3 I t/c-= const. ,
Продифференцировав выражения (2.2), (2.3), получим значения крутизны для крутого и пологого участков стоковой характеристики соответственно:
5=2Д2А(Л=5оус при Uc ^p,-Ua, (2.5)
при £/с>4/3-4/„, (2.6)
где So — удельная крутизна.
Из выражений (2.5), (2.6) видно, что крутизна МДП-транзистора линейно зависит от напряжения на электродах и не является однозначным параметром. Для ее определения необходимо обязательно оговорить режим работы, т. е. напряжения. Поэтому для характеристики параметров МДП-транзистора целесообразнее ввести удельную крутизну, которая выражается через электрофизические и конструктивные параметры МДП-структуры:
•Vo = ^3oMk. (2.7)
о-
Аналогично, дифференцируя выражение (2.2), можно определить сопротивление канала для крутого участка характеристики:
RK —--------=---------------- при Uc — U0. (2.8)
д!с/дС/с 50(£/3-£Д-^0) И & 3 V
Для определения сопротивления канала в пологой области стоковой характеристики существует эмпирическая формула
А 1
(U3-U0)n
(2.9)
где So' — удельная крутизна, вычисляемая опытным путем; п= = 1-?2 — коэффициент, зависящий от технологии изготовления.
Пороговое напряжение связано с электрофизическими параметрами МДП-структуры соотношениями
£70= — [|?мп|—|———|-2<5фАдля р-канального транзистора, \ ь3о Сз0 у
(2.10)
—|-2©ф. для /z-канального транзистора.
Дзо С’зз х
(2.Н)
Здесь фмп — разность потенциалов, определяемая разницей в работах выхода полупроводника и материала затвора, в частности металла (в случае алюминиевого затвора эту величину определяют по графику рис. 2.8 по известной концентрации примесей в полупроводниковой пластине Azo и типу ее электропроводности); Qss, Qn — соответственно плотности заряда поверхностных состояний на границе полупроводника и диэлектрика и пространственного заряда в полупроводнике.
Плотности зарядов определяют по выражениям
(2.12)
Q.—VavnA'o»*,. (2.13)
где q — заряд электрона; фф(. —потенциал, зависящий от положения уровня Ферми в полупроводнике относительно середины запрещенной зоны:
?Рис. 2.8. Зависимость разности потенциалов <фмп для системы А1—Si •от концентрации примеси в кремнии
?ф, =?т lnAr0///z, (2.14)
где фт —температурный потенциал ( — 0,026 В); — собственная
концентрация носителей в полупроводнике, равная для кремния •2-1010 см-3.
Из сравнения формул (2.10), (2.11) видно, что пороговое напряжение /г-канального транзистора ниже, так как два последних слагаемых меняют знаки на обратные. Существенным резервом снижения пороговых напряжений является уменьшение разности потенциалов фмп за счет подбора материала затвора и уменьшения плотности поверхностных состояний Алов, которая зависит от качества поверхности и ее ориентации относительно плоскостей кристаллической (решетки.
Для определения паразитных емкостей и входного сопротивления необходимо снова обратиться к конструкции МДП-транзистора, представленной на рис. 2.6. Как видно из рисунка, входное сопротивление /?Вх равно сопротивлению утечки конденсатора за-или затвор — подложка и достигает десятков
твор — сток (исток) — сотен мегаом.
Паразитные межэлектродные емкости МДП-транзистора зави-•сят от геометрических размеров стока, истока, затвора и определяются (при симметричном расположении стока и истока) по формулам:
емкость
затвор — сток (исток)
Сзн=сзс = CsQbK —
(2.15)
емкость затвор — подложка СЗП=С^Л, (2.16)
емкость сток (исток) -^подложка
С„ = = С;„ |МС + 2 (Ьк + /е) li Л, (2.17)
емкость сток — исток
Сс1,С„„/;Ссг, + Снп) = С „12. (2.18)
В схеме с общим истоком (рис. 2.7, а)
С„~С„. (2.19)
Удельную емкость обратно смещенного перехода сток — подложка Cj0 определяют по эмпирической формуле
Cj0—
2?£д£оУо б"диф + ^"cmln
(2.20)
где {7дПф — диффузионный потенциал перехода сток — подложка (~0,7 В); t/cmin — минимальное напряжение стока.
При проектировании цифровых МДП-ИМС удобнее оперировать входной и выходной емкостями МДП-транзистора, которые легко выразить через межэлектродные емкости для схемы с общим истоком:
С.х=С.п + С.„. (2.21)
С„х=с[л. (2.22)
Быстродействие МДП-транзисторов ограничивается временем релаксации заряда в активной области транзистора, которое характеризуют постоянной времени канала тк:
*к = СзпЯк-
Подставляя сюда значения из выражений (2.8), (2.7), (2.16), получим
Z2
(ТГ * гг. при Uc < U3-Uo. (2.231
fx(t/3— t/0 —С/с)
Постоянная времени канала, равная 10-9—10-10 с, много меньше постоянных времени внешних цепей транзистора, которыми и определяются частотные характеристики МДП-ИМС.
Рассмотренные параметры МДП-транзистора отражены на эквивалентной схеме рис. 2.9, а, где через Д1Ш и 7?сп обозначены со
Рис. 2.9. Эквивалентные схемы МДП-транзисторов: а —полная; б —упрощенная (для аналитических расчетов)
противления закрытых р-п-переходов исток—подложка и сток — подложка. Для аналитических расчетов в статическом режиме можно использовать упрощенную схему (рис. 2.9, б), полученную путем объединения выводов истока и подложки в пренебрежении инерционностью канала.
§ 2.5. Режимы работы и связь между конструктивными
и электрическими параметрами МДП-транзисторов в цифровых ИМС
Цифровые МДП-ИМС предназначены для выполнения определенных логических функций. Базовой логической схемой для построения этих ИМС является инвертор, выполняющий логическую функцию инвертирования входного сигнала (операцию НЕ).
Для установления связи между конструктивными и электрическими параметрами МДП-транзисторов цифровых МДП-ИМС малой и средней степеней интеграции достаточно рассмотреть статический и динамический режимы работы трех наиболее распространенных инверторов, которые отличаются схемой включения нагрузочного транзистора. Схемы, где нагрузочный транзистор выполняет функцию резистора, относят к инверторам с пассивной нагрузкой, а схемы, где он выполняет функцию активного элемента,— к инверторам с активной нагрузкой.
Рис. 2.10. Схема инвертора с пассивной нагрузкой
Рис. 2.11. Вольт-амперные характеристики нагрузочного транзистора:
/-У3=УИ П; 2-t/3=t/H nl + t/0;
Статический режим работы инвертора с пассивной нагрузкой. Простейшей инвертирующей схемой на МДП-транзисторе является инвертор с пассивной нагрузкой (рис. 2.10). В нем в качестве нагрузки используется МДП-транзистор Т\ (в дальнейшем просто нагрузочный транзистор) с каналом того же типа, что и ключевой транзистор-Т2. Рассмотрим вначале более простой случай, когда нагрузочный транзистор 7\ включен как нелинейный двухполюсник (затвор объединен со стоком). Вольт-амперной характеристикой такого двухполюсника является геометрическое место точек, в которых выполняется условие Uc=Ua. Она представляет собой параболу, описываемую выражением
/c = S0/2(£/3 —Z70)2,
целиком лежащую в пологой области стоковых характеристик (кривая 1 на рис. 2.11).
Основной статической характеристикой инвертора является его
передаточная характеристика USbIX=f (^вх), по которой легко рас-
считать остальные статические характеристики схемы: амплитуду
логического перепада (Uвых max— Uвых mln) , потребляемую мощность, статическую помехоустойчивость.
Рассмотрим передаточную характеристику инвертора (рис. 2.12). При этом будем считать пороговые напряжения ключевого Т2 и нагрузочного 7\ транзисторов одинаковыми: Uqi = U02—U0, что характерно для схем в интегральном исполнении. Влияние
^02 ^fa
Рис. 2.12. Передаточная характеристика инвертора с нелинейной нагрузкой
подложки полагаем пренебрежимо малым, что хорошо выполняется для низколегированной подложки с концентрацией примеси не более 1015 см-3. В общем случае на передаточной характеристике можно выделить
три участка. На участке АВ ключевой транзистор закрыт, а напря-
жение на выходе инвертора
^вых=^и.п-^о1==^и.п-^о. (2-24)
Участок ВС является переходным, где оба транзистора, Т\ и Т2, открыты и работают в пологой области стоковых характеристик. На участке CD рабочая точка ключевого транзистора Т2 переходит в область стоковых характеристик с большой крутизной.
Закон изменения выходного напряжения для участка CD можно получить из условия равенства токов транзисторов и Т2:
So, (U„„ - и.т - и „у=S„2 [2У,„ (tZ„ -1/0) - J.
Отсюда
п — + —(m+ 1)^0 —
ВЫХ , 1
m 4- 1
— VlC^n + mUm — {m+ 1)У0]2 —(zn + 1) (£7И,П — 77^
пг 4- 1
2.25)
где m — S02/S01 — отношение значений удельной крутизны транзисторов инвертора.
Обычно статический режим инвертора рассчитывают так, чтобы при заданных значениях
и
(2.26)
получились выходные напряжения, удовлетворяющие неравенствам
/7 "> /71 /7
вых! вых» вых2 . вых»
(2.27)
Подставляя вторые неравенства (2.26), (2.27) в (2.25), получим выражение для расчета отношения значений удельной крутизны з* 67
ключевого и нагрузочного транзисторов, при котором выполняется заданный статический режим:
т > __
Если концентрация примесей в подложке больше 1015 см-3, то необходимо учитывать влияние подложки. Из схемы рис. 2.10 видно, что между истоком и подложкой нагрузочного транзистора 7\ имеется разность потенциалов, которая изменяет пороговое напряжение транзистора С/Оь а следовательно, и выходное напряжение, определяемое выражениями (2.24), (2.25). Тогда выходное напряжение инвертора с учетом влияния подложки и первого неравенства (2.27) можно рассчитать по формуле
и™. <1/т-К„ит=ит(.1-К^, (2.29)
где 7/вых — напряжение без учета влияния подложки (2.24);
Кп = У]/Г 7/ц.п — &о — ? — —коэффициент влияния под-
ложки; »— V 2£Oen<77Vo/C3o — постоянная величина для данно-
го транзистора.
Влияние потенциала подложки на характеристики МДП-транзистора заключается в том, что его изменение модулирует толщину области объемного заряда (см. рис. 2.2, а) и, следовательно, канала, изменяя ток стока /с. Таким образом, подложка является как бы вторым затвором в МДП-транзисторе.
Статический режим работы инвертора с пассивной нагрузкой и двумя источниками питания. Для повышения быстродействия на затвор нагрузочного транзистора часто подают напряжение от отдельного источника питания t/n.n2>tAi.ni4-£7o (рис. 2.13). При
Рис. 2.13. Схема инвертора с пассивной нагрузкой и двумя источниками питания
Рис. 2.14. Передаточная характеристика инвертора При Уи.п2 > Ml.ni +
+ Ци
этом нагрузочная характеристика перемещается в область малых напряжений (7С i и становится более крутой (кривые 2, 3 на рис. 2.11). Статическая характеристика нагрузочного транзистора в этом случае описывается уравнением с
/с1 [(У.,.2-Um-UQy-- ад]. (2.30)
С повышением напряжения Un.n2 нелинейность этой характеристики уменьшается и быстродействие схемы в пределе стремится к быстродействию инвертора с линейной нагрузкой (резистором).
Передаточная характеристика инвертора имеет три участка (рис. 2.14), причем на каждом участке нагрузочный транзистор открыт, так как £/и.пНа участке АВ ключевой транзистор Т2 закрыт и выходное напряжение U3bTX=Un.ai. На участке ВС ключевой транзистор работает в пологой области, а на участке CD — в крутой области стоковой характеристики. Приравнивая токи транзисторов Т\ и Т2 для участка CD, получим
- L'o)* 2 - (<Л..,2 - - ^0)!] =
=5и[2У,„(У„-У0) -UL], (2.31)
Отсюда
у Ч- (£7илт2 — — V[ffi (£/~вх — Uq) + (Uи,п2 — U0)]2 —
(/n + 1) [(6ЛИ.„2 - Utf - (£ЛИ.„2 -Цй- £7и.п1)2]
пг 4- 1
В формулах (2.30), (2.31) при необходимости можно учесть влияние подложки путем уменьшения напряжения С11Л2 на величину КпНвых, эквивалентную повышению порогового напряжения нагрузочного транзистора Т\. Для упрощения расчетов можно подставить в .(2.31) вместо Un.a2 значение Un.n2—(КпДи.гп)/2, достаточно точное для середины диапазона изменения выходного напряжения.
Обычно статический режим инвертора с двумя источниками питания рассчитывают аналогично схеме с одним источником (см. рис. 2.10). Подставляя вторые неравенства (2.26), (2.27) в (2.31), получим выражение для расчета отношения значений удельной крутизны ключевого и нагрузочного транзистора, при котором выполняется заданный статический режим:
1ТЬ «О & I
2^вЫх(С-^о)-(^в°ь,х)
Статический режим работы инвертора с активной нагрузкой. Такая схема инвертора широко распространена в КМДП-ИМС, где одновременно используются п- и р-канальные МДП-транзисторы. Преимуществами подобных инверторов являются отсутствие потребления мощности от источника питания в статическом режиме и лучшая форма передаточной характеристики.
Схема инвертора и его стоковые характеристики приведены на рис. 2.15, а, б. Как видно, затворы нагрузочного р-канального транзистора 7’1 и ключевого /г-канального транзистора Т2 соединены вме-
сте, а исток каждого транзистора объединен с подложкой. Выходом инвертора являются объединенные стоки. При таком включении ключевой и нагрузочный транзисторы работают в противофазе, т. е. запирание одного связано с отпиранием другого и наоборот, что улучшает быстродействие. Противофазный режим можно объяснить тем, что в схеме всегда выполняется условие П3и14-ПзИ2 = ^п.п, так что уменьшение напряжения Пзи одного из транзисторов приводит к увеличению напряжения Пзи другого.
а)
Рис. 2.15. Инвертор с активной нагрузкой:
а — электрическая схема; б — стоковые характеристики в открытом (А) и закрытом (S) состояниях; в — передаточная характеристика
Рассмотрим передаточную характеристику инвертора (рис. 2.15, в). Параметры транзисторов будем считать одинаковыми, а токи утечки—пренебрежимо малыми. Пусть напряжение питания связано с пороговыми напряжениями транзисторов неравенством
^и.п> I ^/01 I (2.33)
Тогда при О<Пвх<По2 транзистор Т2 закрыт, транзистор Т\ открыт и выходное напряжение UВ111Х= Ии.п. При увеличении Пвх от U02 ло —Uqi происходят плавное запирание транзистора Ti, отпирание транзистора Т2 и уменьшение напряжения ивых. При Пвх= = Пи.п—Uq\ транзистор Т\ окончательно запирается и ПВЫх=0.
В заключение отметим, что инвертор может работать и при Пи.п< | ^011 + Пог, однако этот режим приводит к увеличению времени переключения, так как в течение части его оба транзистора 7\ и Т2 будут закрыты. Но, с другой стороны, он дает экономию в потребляемой инвертором мощности.
Обычно статический режим инвертора рассчитывают так, чтобы при условиях (2.26) выполнялись неравенства (2.27). В силу специфики работы инвертора с активной нагрузкой для этого достаточно проверить неравенство (2.33).
Статическая помехоустойчивость инвертора. Статическая помехоустойчивость Ппом характеризуется максимальным напряжением статической помехи, действующей на выходе или входах инвертора, но не нарушающей его нормального функционирования.
Помехоустойчивость определяют из соотношения
^пом=т1п
ПОМ
(2.34]
U пом
где U том । U~0M — допустимые значения положительной и отрицательной статических помех.
Значения статических помех можно определить по передаточной характеристике рис. 2.15, в или по формулам
^п+ом = ^02-^вх# (2.35)
^п"ом = ^вх-^0. (2.36)
При расчете статического режима инвертора для обеспечения заданной помехоустойчивости в рабочем диапазоне температур ИМС пороговые напряжения ключевого и нагрузочного транзисторов необходимо определять (при Uqi — U02=Uq) по выражению
^ПОМ
(^о-ТК^оДЛ)-^вх, ^х-^о+ТК^г),
(2.37)
где ТКС70 — температурный коэффициент пороговых напряжений (~4 мВ/°С); A7] = 7niax—Т'комн; ^Т2—Ткомн— Tmln', Ткомн — + 20° С.
Динамический режим работы инверторов. Анализ динамического режима работы рассмотренных схем инверторов проведен при следующих условиях:
а) входное напряжение изменяется скачкообразно от mm ДО £7вхтах’>
б) нагрузка имеет чисто емкостный характер и равна С/= = СН+Свых~ Сн, где Свых—выходная емкость инвертора.
Схема включения источника входного напряжения и конденсатора нагрузки для оценки быстродействия инвертора с нелинейной
Рис. 2.16. Схема включения (а) и временные диаграммы работы инвертора (б) в динамическом режиме
Рис. 2.17. К определению быстродействия ин-
вертора
нагрузкой приведена на рис. 2.16, а, а соответствующие ей временные диаграммы — на рис. 2.16, б. Обычно быстродействие инвертора оценивают временами включения /вкл, выключения <выкл и за
держки распространения сигнала /зад, уровни отсчета которых указаны на рис. 2.16, б. Очевидно, быстродействие инвертора будет определяться временем перезаряда конденсатора С,ь которое, в свою очередь, определяется средним значением емкостного тока ic. При скачкообразном входном сигнале рабочая точка инвертора перемещается по траекториям, отмеченным на рис. 2.17 цифрами 1 — 2—3 при выключении (соответствует запиранию транзистора Т2) и 3 — 4—1 при включении (соответствует отпиранию транзистора Т2). В этом случае быстродействие инвертора можно оценить по площади, расположенной под нагрузочной статической характеристикой при выключении, и по площади между нагрузочной и стоковой характеристиками ключевого транзистора при включении. Действительно, как видно из рис. 2.17, эти площади пропорциональны средним значениям токов заряда и разряда конденсатора нагрузки: fC3ap=tn, 1сразр-=1с—1н- Чем больше площади, тем больше средние значения емкостных токов и тем быстрее протекают переходные процессы. Так как площадь, соответствующая разряду конденсатора нагрузки, на рис. 2.17 больше площади, соответствующей его заряду, то время включения инвертора Дкл всегда меньше времени выключения /Выкл- Поэтому ограничимся расчетом большего времени Дыкл.
Расчет времени выключения Дыкл легко провести при скачкообразном входном сигнале, составив дифференциальное уравнение заряда конденсатора нагрузки Сн током i(t) нагрузочного транзистора:
Сн-^с(0 =/(/). (2.38)
dt
Для решения уравнения (2.38) в его правую часть нужно подставить в случае инвертора с пассивной нагрузкой уравнение тока (2.3), в случае инвертора с пассивной нагрузкой и двумя источниками питания — уравнение тока (2.2), а в случае инвертора с активной нагрузкой — оба уравнения тока (2.2), (2.3).
Далее приведены решения уравнения (2.38) для различных типов инверторов в виде выражений для времен выключения Дыкл-Сюда включены выражения для сложных схем инверторов с пассивной (рис. 2.18, а, б) ис активной (рис. 2.19, а, б) нагрузками. Эти схемы имеют расширенные функциональные возможности, выполняя логические функции ИЛИ—НЕ и
Рис. 2.18. Сложные схемы инверторов с пассивной нагрузкой:
а — элемент ИЛИ — НЕ; б — элемент И—НЕ
И—НЕ, и отличаются от простых инверторов параллельным или последовательным включением нескольких ключевых и нагрузочных МДП-транзисторов.
Для инвертора с пассивной нагрузкой (см. рис. 2.10, 2.18, а, б)
____18СН_
•Sq] (6^q)
(2.39)
Рис, 2.19. Сложные схемы инверторов с активной нагрузкой: а — элемент ИЛИ—НЕ; б — элемент И—НЕ
Для инвертора с пассивной нагрузкой и двумя источниками питания (см. рис. 2.13, 2.18, а, б)
С
t =______________9(2—1.9АГ)
выкл S01(l-/<)(t7H.n2-tZ0)j ‘ 2,0-1,И
(2.40)
где
Для
2.19, б
К— ^и.п1/(^н.п2 ^о)-
инвертора с активной нагрузкой по схемам рис.
2.15, а,
Сн
/выкл 501(tr„.n-t/0)
по схеме рис. 2.19, а ^выкл
Г1п(20М-1)+^—-
L 0,5К
In (2ОК-1)4-^-=А
5о1(^и.п-^о) L 0,5 К
(2.41)
(2.42)
лСн
где п — число последовательных нагрузочных транзисторов; К— = (UK.a-UQ)/UK.n.
Работа инверторов в цепочке. Одиночный инвертор используется довольно редко. Как правило, он работает в составе сложных логических схем. При этом к инвертору предъявляются требования согласования электрических уровней с соседними каскадами для передачи двоичной информации и обеспечения заданного быстродействия.
Обычно согласование электрических уровней обеспечивается путем запирания последующего инвертора при открытом предыдущем и наоборот. Для цепочки инверторов на МДП-транзисторах (рис. 2.20) вследствие непосредственной связи между ними условие согласования обеспечивается, если
и^>иа, (2.43)
UM<Uo, <2.44)
где t/выхтш — минимальное напряжение на выходе открытого ин-
вертора.
При проектировании инверторов, работающих в цепочке, для выполнения условия (2.43) требуется правильный подбор напряже-
Рис. 2.20. Цепочка инверторов с пассивной нагрузкой
ния источника питания, а для выполнения условия (2.44) необходимо рассчитать отношение значений крутизны ключевого и нагрузочного транзисторов по формулам (2.28), (2.32). При проектировании цепочки инверторов с активной нагрузкой достаточно выполнить только условие (2.43).
Обеспечение заданного быстродей
ствия в цепочке инверторов достигает
ся путем равномерного распределения задержек между каскадами по формуле
^ЫКл=2/зад//г, (2.45)
где73ад — требуемая задержка распространения сигнала (задается ТЗ); п — количество последовательно включенных инверторов.
Емкость нагрузки выходного инвертора обычно задается, а емкость нагрузки промежуточного инвертора Си принимают равной входной емкости последующего инвертора Свх и собственной выходкой емкости Свых:
Сн — Свых= Сзи2 + Сзп2 + Сзс2Лм Смет + ^и.п1 + ^сп2, (2.46)
где Km=So2/Soi — коэффициент Миллера; Смет — емкость конденсатора, образованного проводником, соединяющим каскады, и подложкой.
Однако определение Сн по формуле (2.46) невозможно, так как последние три слагаемых неизвестны и могут быть определены только после разработки эскиза топологии ИМС в целом. Поэтому для предварительного расчета целесообразно выбирать
CL= 1,0 ч-1,5 пФ, (2.47)
а в процессе поверочного расчета уточнить это допущение.
Расчет динамического режима работы инвертора проводят так, чтобы при заданном времени задержки сигнала /эад и емкости нагрузки Сн в любых режимах работы выполнялось неравенство
/8ад<л/выкд/2. (2.48).
Условие (2.48) выполняется в том случае, если удельную крутизну нагрузочных транзисторов инверторов рассчитывать по формулам (2.39) — (2.42) в зависимости от схемы,, а время выключения — по выражению (2.45).
На основании анализа статического и динамического режимов работы различных типов инверторов удалось установить важнейшие связи их конструктивных и электрических параметров:
1) расчет толщины затворного диэлектрика /гд производят по формулам (2.4), (2.10), (2.11) и (2.37) из условия получения заданной статической помехоустойчивости;
2) удельная крутизна Soi нагрузочного транзистора, рассчитываемая по формулам (2.39) — (2.42), из условия получения заданного быстродействия однозначно определяет отношение ширины канала МДП-транзистора к его длине bKi/lKi',
3) расчет геометрии ключевого транзистора (отношения Ьнг/^кг)’ производят по формулам (2.28), (2.32) из условия обеспечения заданных выходных напряжений инвертора в статическом режиме.
§ 2.6. Конструирование транзисторов
и топологии кристалла МДП-ИМС
При разработке МДП-транзисторов конструктор должен стремиться к повышению удельной крутизны So при работе в активном режиме, снижению порогового напряжения Оо, уменьшению занимаемой площади и паразитных емкостей. Конечной целью является увеличение быстродействия и степени интеграции при заданной потребляемой мощности. Техническая противоречивость указанных требований (особенно первого и третьего) заставляет конструктора идти на определенные компромиссы и делает его труд творческим.
Требование уменьшения площади, занимаемой отдельным МДП-транзистором и микросхемой в целом, приводит к разработке кристалла минимально возможной площади. Однако существует предел возможностей той или иной технологии, связанный с минимальным геометрическим размером (см. § 1.4) и точностью его выполнения. Поэтому при расчете и выборе конструктивных параметров МДП-транзисторов и других элементов схемы следует учитывать технологические ограничения на размеры МДП-структур, которые приведены в табл. 2.1.
Проектирование топологии МДП-ИМС средней и большой сте-. пеней интеграции имеет некоторые особенности. В частности, методы проектирования топологии можно подразделить на два в зависимости от того, из каких элементов создаются эти ИМС:
1) совокупности типовых элементов — МДП-транзисторов;
2) совокупности типовых логических элементов и блоков (выходных и промежуточных инверторов, триггеров, регистров и т. д.).
Первый метод совпадает с методом проектирования ИМС малой степени интеграции и позволяет получить наибольшую плотность размещения элементов на кристалле. Однако затраты времени при этом велики.
Чертежи топологии
р-канальный МДП-тран-wrmnn г п ntnMiiMitpRhiM
п-канальный МДП-тронзис-тор с кремниевым затвором
Чертежи топологии
Диффузионные проводники
Поликремниевые
Проводники металлизации
Контактные площадки
Технологические ограничения на размеры МДП-структур
Наименование элемента топологии, наименование и обозначение размера
р-МДП
Таблица 2.1
Вид технологии
л-МДП КМДП
Толщина затворного диэлектрика (SiO2) h„, мкм 0,07—0,10 0,07—0,1 :>0,1
Толщина толстого диэлектрика (SiO2) Лтд, мкм 1,0 1,0 1,0
Толщина металлизации (алюминия) Лм, мкм 1,2 1,2 1,2
Толщина кремниевого затвора йп.к.з, мкм Толщина межслойной изоляции (ФСС) йм.и, мкм — 0,5 0,5
— 1,0 1,0
Толщина пассивирующего слоя (ФСС) hnc, мкм Толщина стоков, истоков, диффузионных проводников hj, мкм Толщина p-областей для формирования л-канальных транзисторов КМДП-ИМС hi, мкм 1,0 1,0 1,0
1,5 1,0 1,0 (л+) 1,5 (Р+)
— — 6,0—7,0
Минимальная длина алюминиевого (кремниевого) за- 12' 5 5
твора 13, мкм Перекрытие областей стока (истока) алюминиевым 2,0
0,8 1,0
(кремниевым) затвором i, мкм 4,0
Минимальное расстояние от края контактного окна 2,0 2,0
до края стока (истока), диффузионного проводника, кремниевого затвора а, мкм
Минимальный размер контактного окна к стоку (исто- 6X6 5X5 5X5
ку), диффузионному проводнику и кремниевому затвору сХс, мкм Минимальное расстояние от затвора до края контакт- 10,0
4,0 4,0
ного окна к стоку (истоку) d, мкм 3,0 До охранного кольца (А1) 2,0 (Si)
Перекрытие области канала затвором на его конце е, мкм 2,0
Минимальное расстояние между соседними стоковыми 10,0 5,0 5,0
(истоковыми) областями и диффузионными проводника-
ми f, мкм
Наименование элемента топологии, наименование и обозначение размера
р-МДП
Продолжение табл. 2.1
Вид технологии
л-МДП
КМДП
Минимальная ширина диффузионного проводника и охранного кольца g, мкм
Минимальное расстояние между кре'кииевыми затворами k, мкм
Минимальное расстояние между алюминиевыми затворами и между проводниками металлизации s, мкм
Минимальная ширина проводников металлизации /, мкм
Перекрытие проводником металлизации контактного окна ко всем областям t, мкм
Расстояние от края кристалла до контактной площадки и, мкм
Минимальный размер контактной площадки для ручной (числитель) и автоматизированной (знаменатель) термокомпрессионной сварки v%v, мкм
Минимальное расстояние между контактными площадками для ручной (числитель) и автоматизированной (знаменатель) термокомпрессионной сварки w, мкм
Расстояние между контактными площадками и другими элементами схемы х, мкм
8,0 5,0 5,0
— 4,0 4,0
8,0 5,0 5,0
8,0 5,0 5,0
3,0 2,0 5? 50 50X50 150X150 70 50 20 2,0
Второй метод предполагает использование топологии логических элементов или блоков, спроектированных ранее. Для рационального использования площади кристалла топологию типовых элементов и блоков проектируют в виде прямоугольных ячеек равной высоты. Проектирование включает размещение типовых элементов или блоков и трассировку соединений между ними. Данный метод ускоряет процесс проектирования топологии, но приводит к увеличению площади кристалла и ухудшению параметров ИМС.
Находит применение и комбинированный метод разработки топологии МДП-ИМС, в котором сначала разрабатывается топология типовых логических элементов с последующим их размещением на плоскости кристалла.
Курсовое проектирование МДП-ИМС охватывает схемы малой и (реже) средней степеней интеграции. При этом наиболее приемлемыми являются первый и комбинированный методы проектирования топологии.'
Разработку эскиза топологии кристалла целесообразно начи
нать с конструирования отдельных элементов, к которым относятся ключевые и нагрузочные МДП-транзисторы, охранные диоды и кольца. Затем производят рациональное размещение этих элементов на кристалле с одновременной прокладкой диффузионных шин и металлической разводки. На периферии кристалла размещают
внешние контактные площадки для соединения с выводами корпуса и фигуры совмещения.
Конструирование МДП-транзисторов, работающих в активном режиме. Для транзисторов, работающих в активном режиме (к
ним относятся ключевые транзисторы всех инверторов и нагрузоч-
транзистора с П-образным каналом
ный транзистор инвертора, изображенный «а рис. 2.15), с целью получения малых паразитных межэлектродных емкостей необходимо выбирать по табл. 2.1 минимальную длину канала, обусловленную технологическими ограничениями:
4.TexH=Z3-2Z, (2.49)
и подгонять отношение ширины и длины канала 6к//к.техн к требуемому значению удельной крутизны S02, рассчитанному по формулам (2.28), (2.32). Остальные конструктивные параметры транзистора (размеры областей стока, ис
тока, затвора, контактных окон и т. д.) выбирают в соответствии с технологическими ограничениями (см. табл. 2.1). Там же представлены чертежи топологии МДП-
транзисторов с каналами разных типов электропроводности.
В случае, когда ЬкДк.техн^20, рекомендуется П-образная конфигурация канала ключевого транзистора (рис. 2.21). Это имеет место при проектировании КМДП-ИМС.
Отдельно следует остановиться на чертежах топологии МДП-транзисторов для сложных схем инверторов, где требуется обеспечивать последовательное или параллельное соединение ключевых транзисторов. Для повышения степени интеграции допускается объединение областей стоков или истоков, как это сделано на рис. 2.22, а, б\ 2.23, а, б.
Рис. 2.22. Чертеж топологии (а) и электрическая схема (б) последовательного включения МДП-транзисторов
Рис. 2.23. Чертеж топологии (а) и электрическая схема (б) параллельного включения МДП-транзисторов
Конструирование МДП-транзисторов, работающих в пассивном режиме. К ним относятся нагрузочные транзисторы инверторов с пассивной нагрузкой типа изображенных на рис. 2.10, 2.13. У таких транзисторов значение удельной крутизны Soi может быть малым, и для уменьшения площади, занимаемой элементом, целесообразно выбирать минимальную ширину канала, обусловленную технологическими ограничениями согласно табл. 2.1:
2а-|-с для прямоугольной формы стока (истока),
g для ступенчатой формы стока (истока).
(2.50)
Длину канала подгоняют в целях получения отношения 6к.техн/4<, соответствующего требуемому значению удельной крутизны Soi, рассчитанному по выражениям (2.39), (2.40). Остальные конструктивные параметры выбирают в соответствии с технологическими ограничениями (см. табл. 2.1). Чертеж топологии и электрическая схема нагрузочного транзистора с областями стока (истока) сту* пенчатой формы приведены на рис. 2.24, а, б.
Конструирование охранных диодов. Охранные диоды используются во входных цепях цифровых комплементарных и обычных МДП-ИМС и предназначены для предотвращения пробоя пленки
затворного диэлектрика под действием статического электричества. В качестве примера рассмотрим диодную защитную схему входной цепи инвертора КМДП-ИМС. Входная цепь, электрическая схема которой приведена на рис. 2.25, состоит из подключенных к входной шине охранных диодов Д\ и Д2. Как известно, статический заряд, накапливаемый на выводах корпуса ИМС или инструменте мон
Рис. 2.24. Конструкция (а) и электрическая схема (б) нагрузочного р-канального
МДП-транзистор а
Рис. 2.25. Диодная защитная схема
тажника, может иметь положительный и отрицательный знаки. Положительный заряд «стекает» через диод Д\, а отрицательный — через диод Д2. Такая схема приводит к уменьшению входного сопротивления и появлению входного тока утечки в пределах 0,5— — 1 мкА. Однако динамические параметры схемы при правильном проектировании охранных диодов практически не ухудшаются.
Описанная защитная схема не допускает подачу на вход напряжения L/Bx>^n.n. что может привести к протеканию через входную цепь больших токов и разрушению диодов. Поэтому при включении аппаратуры на КМДП-ИМС с защищенными входными цепями напряжение питания следует подавать раньше входного сигнала, а при выключении аппаратуры — снимать позже. Находят применение и однодиодные защитные схемы, в которых используется только охранный диод Д2.
Основными требованиями при конструировании охранных диодов являются обеспечение достаточного напряжения пробоя (^2КП.П), так как в рабочем состоянии схемы на диоды подается обратное напряжение, равное L/n.n, и получение малых паразитных емкостей. Первое требование обеспечивается тем, что одной областью этих диодов служит низколегированная подложка ИМС, а другой — специально формируемые низколегированные участки. Для получения малых паразитных емкостей контактное окно к области диода необходимо разрабатывать с учетом технологических ограничений, указанных в табл. 2.1.
Чертеж топологии охранных диодов Д2 и Д{ приведен на рис. 2.26. Особенностью топологии является то, что электрический контакт к «-области диода Д\ и p-области диода, осуществляется через подложку.
Паразитные МД П-структуры и конструирование охранных колец. В МДП-ИМС активные паразитные эффекты возникают за счет образования паразитных МДП- и биполярных транзисторов. На рис. 2.27, а, б для примера показана возможность образования паразитного p-канала, между диффузионными проводниками питания р+-типа, если поперечный проводник металлизации находится под высоким отрицательным потенциалом.
Рис. 2.26. Чертеж топологии охранных диодов
Рис. 2.27. Чертеж топологии (а) и электрическая схема (б) паразитного р-канального МДП-транзистора
Основным путем борьбы с паразитными каналами в обычных р-МДП и «-МДП схемах является такое повышение пороговых напряжений паразитных структур, чтобы выполнялось неравенство (2.51) и структуры не включались при работе схемы. Это достига
ется увеличением толщины изолирующего дополнительным легированием областей вне основных МДП-структур (см. рис. 2.4).
Благоприятные условия для образования паразитных каналов имеются в конструкции с КМДП-транзисторами. Фрагмент структуры инвертора с КМДП-тран-зисторами показан на рис. 2.28. Паразитный p-канал образуется между областями 3 и 6 при отрицательном потенциале относительно подложки 1 на металлическом проводнике 4, соединяющем стоки 3 и 8 КМДП-транзисторов. Паразитный п-канал образуется между областями 1 и 8 при положительном потенциале на проводнике 4 относительно р-кармана. Эти каналы способствуют протеканию токов
диэлектрика /гт.д либо
Паразитный Паразитный
р-канал п-канал
Рис. 2.28. Образование паразитных каналов в инверторе с активной нагрузкой: / — подложка; 2, 3 — исток и сток р-канального МДП-транзистора; 4 — металлический проводник; 5 — п + -охранное кольцо; 6 — р-карман; 7 — р+охран-ное кольцо; 8, 9 — сток и исток «•канального МДП-транзнстора
утечки между транзисторами за счет инверсии электропроводности полупроводникового материала на границе кремний — окисел.
Основным методом устранения паразитных каналов в КМДП-структурах является применение охранных колец. Их формируют
локальным легированием в процессе формирования стоков и истоков р- и n-канальных транзисторов. При этом каждый р- и п-ка-кальпый транзистор окружают охранным кольцом соответственно п+- и р+-типов. Для лучшей изоляции на кольцо р+-типа подают самый низкий, а на кольцо п+-типа— самый высокий потенциал схемы () • Пример выполнения чертежа топологии охранного кольца р+-типа показан в табл. 2.1. На структуре рис. 2.28 охранные кольца 5 («+) и 7 (р+) размещают в областях образования паразитных каналов.
Применение охранных колец существенно увеличивает площадь элементов КМДП-ИМС, поэтому при проектировании необходимо стремиться к уменьшению их количества, используя одно кольцо
на группу транзисторов.
Конструирование эскиза топологии кристалла МДП-ИМС. Разработку эскиза топологии кристалла производят в такой после-
довательности:
1) размещают контактные площадки (КП) по периметру крис-
талла (нумерация контактных площадок нарастает против часовой
'.Фигуры совмещения
Рис. 2.29. Пример размещения контактных площадок и фигур совмещения на кристалле
стрелки от КПь как показано на рис. 2.29), способы распознавания КП1 от остальных указаны в гл. 1;
2) оставляют место «а периферии кристалла для размещения фигур совмещения и тестовых элементов (МДП-транзисторов);
3) выделяют контактные площадки для подведения цепей питания (£/и.п и «общая»), которые являются неизменными для данной серии ИМС;
4) если ИМС содержит ряд одно-
ные части (по площади) и
типных схем, кристалл делят на рав-проектируют топологию только одной
части с последующим размножением;
5) эскиз топологии необходимо начинать с первой контактной
площадки, а затем переходить от одного элемента к другому, размещая соединенные между собой элементы в непосредственной близости друг от друга с учетом технологических ограничений (см. табл. 2.1);
6) в МДП-ИМС с алюминиевыми затворами в качестве разводки используют диффузионные проводники и проводники металлизации, а в МДП-ИМС с кремниевыми затворами — диффузионные проводники, проводники из поликристаллического кремния (как продолжение областей затворов) и проводники металлизации. Для увеличения степени интеграции проводники металлизации желательно размещать перпендикулярно диффузионным и кремниевым
проводникам.
§ 2.7. Порядок расчета конструктивных
и электрических параметров элементов МДП-ИМС
Порядок расчета транзисторов обычных и комплементарных МДП-ИМС, имеющих различную схемотехническую реализацию, имеет свою специфику.
Типовое техническое задание на разработку конструкции МДП-ИМС в качестве исходных данных включает электрическую схему цифровой ИМС, коэффициент разветвления /(раз, емкость нагрузки Са, время задержки распространения сигнала /зад, напряжение источника питания Un.n, выходное напряжение логического нуля и°ых выходное напряжение логической единицы t/Lx» статическую помехоустойчивость Unmi, входную емкость СВх, пороговое напряжение паразитных транзисторов (/опар, технологию изготовления ИМС, материал пластины и затворов, концентрацию примеси в пластине Мо, плотность поверхностных состояний МПов, подвижность носителей заряда в канале р, технологические ограничения на размеры МДП-структур.
Порядок, расчета параметров транзисторов р- и п-канальных М.ДП-ИМС (данные ИМС используют инверторы рис. 2.10, 2.13, 2.18):
1) изучают принцип работы ИМС и связи ее электрических и конструктивных параметров по § 2.5;
2) рассчитывают требуемое пороговое напряжение МДП-транзисторов |t70| для обеспечения заданной статической помехоустойчивости по формуле (2.37) при условии (7вх=^вых и (Д« = (/вых,
3) определяют удельную емкость затвора относительно канала Сз0 для р- и n-канальных транзисторов по выражениям (2.10), (2.И);
4) находят толщину затворного диэлектрика йд по формуле (2.4);
5) определяют по схеме ИМС количество последовательно включенных инверторов п и время выключения каждого инвертора /ВЬ1КЛ по выражению (2.45);
6) рассчитывают конструктивные параметры выходного инвер-
тора:
а) технологическую ширину канала 6К1техн нагрузочного транзистора по табл. 2.1 и формуле (2.50);
б) удельную крутизну SOi нагрузочных р- и n-канальных транзисторов по формулам (2.39), (2.40) при заданной емкости нагрузки Сп;
в) отношение ширины канала нагрузочного транзистора к его длине йК1ТехнДК1 по формуле (2.7) при заданных значениях подвиж-
ности носителей заряда в канале цР или
г) технологическую длину канала /к 2 техн ключевого МДП-транзистора по табл. 2.1 и формуле (2.49);
д)----отношение значений удельной крутизны ключевого и нагрузочного транзисторов пг по формуле (2.28) при заданных (7ИП и Ux —IIх • (_/ ВХ- ВЫХ 1
е) отношение ширины канала ключевого транзистора к его длине &к2Дк2техн по величине пг\
ж) остальные конструктивные параметры нагрузочного и ключевого транзисторов по данным табл. 2.1 с учетом рекомендации §2.6;
7) рассчитывают конструктивные параметры промежуточного инвертора: после определения емкости нагрузки Сн промежуточного инвертора по выражению (2.47) ведут расчеты параметров по п. а), б), в), далее находят отношение значений удельной крутизны ключевого и нагрузочного транзисторов пг: для р-канальных—по формуле (2.28) и для «-канальных — по формуле (2.32) при заданных L/n.ni, Uu.n2, UBX~и затем конструктивные параметры согласно п. е) и ж);
8) рассчитывают конструктивные параметры входного инвертора (порядок расчета полностью совпадает с расчетом промежуточного инвертора).
Порядок расчета параметров транзисторов комплементарных МДП-ИМС с кремниевыми затворами (данные ИМС используют инверторы рис. 2.15 и 2.19):
1) изучают принцип работы инвертора с активной нагрузкой и связи его электрических и конструктивных параметров по § 2.5;
2) рассчитывают требуемое пороговое напряжение МДП-транзисторов | Uо | для обеспечения заданной статической помехоустойчивости ПО формуле (2.37) При УСЛОВИИ (7вх = £/вых И 7/вх = ^вых;
3) определяют удельную емкость затвора относительно канала Сз0 для р- и «-канальных транзисторов по формулам (2.10), (2.11) при условии (рмп=0;
4) находят толщину затворного диэлектрика /гд по формуле (2.4) для р- и «-канальных структур и выбирают большее значение;
5) проверяют выполнение условия (2.33) для выбранного значения толщины затворного диэлектрика йд;
6) рассчитывают технологическую длину канала нагрузочного транзистора (Диехн) и ключевого транзистора (/К2техн) по табл. 2.1 и выражению (2.49);
7) рассчитывают удельную крутизну <SOi нагрузочного транзистора по формулам (2.41), (2.42) при заданных значениях Сн и ^выкл = 2/зад в зависимости от схемы инвертора;
8) рассчитывают удельную крутизну S02 ключевого транзистора по формулам (2.42) или (2.41) при заданных значениях Сн и Лшкл = 2 /зад в зависимости от схемы инвертора;
9) находят отношение ширины канала нагрузочного и ключевого транзисторов к его длине 6К1Дк1техн и йкгДкгтехн по формуле (2.7) при заданных значениях подвижности носителей заряда рр и цп;
10) определяют другие конструктивные параметры ключевых и нагрузочных транзисторов, охранных колец, диодов по табл. 2.1 с учетом рекомендаций § 2.6.
Расчет паразитных связей и параметров МДП-ИМС. Расчет паразитных связей и параметров включает проверку наличия паразитных каналов, определение статического коэффициента разветв-84
ления Крав и времени задержки сигнала /зад с целью контроля выполнения условий:
^Опар ^Опар.доп»
раз
раз.доп»
^зад
Азад, доп
(2-51)
(2.52)
(2.53)
Правые части неравенств (2.51) — (2.53) задаются в ТЗ, а левые части при проверке необходимо определить расчетным путем.
Проверка наличия паразитных каналов включает:
1) анализ эскиза топологии кристалла для выявления областей возможного образования паразитных каналов;
2) разработку мер повышения пороговых напряжений паразитных структур для исключения их влияния. К таким мерам относят выбор толщины толстого диэлектрика /гт.д, которая обеспечивала бы требуемое пороговое напряжение паразитных МДП-структур ^опар. Значение Ат.д определяют из выражений (2.10) и (2.11) соответственно для паразитных р- и ц-каналов.
Для определения статического коэффициента разветвления требуется:
1) рассчитать удельную емкость проводника металлизации над толстым диэлектриком Ст.до по формуле (2.4), а также удельную емкость перехода сток (исток) — подложка Су о по выражению (2.20);
2) для проверки неравенства (2.52) определить статический коэффициент разветвления по формуле
^Раз=(Сн-Смонт)/Свх/, (2.54)
где СМОнт — емкость монтажа (~5—10 пФ); Свхз-— входная емкость ИМС по /-му входу, определяемая как
k
Сз*]— ^зп‘ _Ь^'зи/)4“^зс^м-Ь(‘5кп4-‘5пр) Ст,д0-|-СохР, (2.55) «-1
где k — количество транзисторов входного инвертора, включенных параллельно; Сзс— емкость затвор — сток ключевых транзисторов; /См — коэффициент, учитывающий эффект Миллера; SKn— площадь контактной площадки; Snp— площадь проводника металлизации от контактной площадки до затвора; Сохр— емкость охранных диодов.
Определение времени задержки сигнала разработанной многокаскадной МДП-ИМС включает расчет конструктивной нагрузочной емкости Сн.констР промежуточного и входного инверторов по формуле (2.46) и по эскизу топологии кристалла, а также проверку неравенства
где Сн— расчетное значение емкости (2.47).
При невыполнении условия (2.52) производят перерасчет топологии входного инвертора путем увеличения времени его выключения, рассчитанного ранее по (2.5). Для однокаскадных ИМС целесообразно переработать топологию входного инвертора, произведя расчет на меньшую емкость нагрузки Сн. При невыполнении условия (2.53) или (2.56) необходимо произвести перерасчет топологии промежуточных инверторов на большую емкость С/, чем задано в (2.47).
Пример расчета конструкции и топологии КМДП-ИМС
Техническое задание
Разработать конструкцию и топологию микросхемы ИЛИ — НЕ по следующим исходным данным: электрическая схема (рис. 2.30); Краз=10; Сн = 50 пФ;
Рис. 2.30. Электрическая схема микросхемы ИЛИ — НЕ
<зад = 50 нс; £4.11=9 В±10%; £/°ых^0,3 В; £7В1ЫХ^7,5 В; £4ом=0,9 В; технология КМДП; технология монтажа кристалла в корпусе — ручная термокомпрессия; материал пластины — КЭФ4.5 <100>; материал затвора — поликри-сталлический кремний; Мол = 1О15 см-3; М^=2-101в см-3; А4ов=(14-2)Х Х10“ см-2; цп = 450 см2/(В-с); цр=250 см2/(В-с); £7ОПар^10 В; герметичность корпуса 5-10~4 5 6 7 л-мкм/с; Т= —454- +85° С.
Так как электрическая схема содержит четыре однотипных двухвходовых инвертора, достаточно рассчитать конструктивные параметры только одного иэ них. Последовательность расчета соответствует приведенному ранее порядку:
1) по выражению (2.37) |£7О| = 1,46В;
2) по формуле (2.10) С3о=4,65-10-8 Ф/см2, а по формуле (2.11) Сй« =2,4-10~8 Ф/см2;
[0,075
3) по выражению (2.4) /гя=тах1^П) = тах < =0,15 мкм;
4) £7oi =—2,31 В, £/о2==1,46 В, | £/qi I + ££о2==3,77<С£/и.п==9 В;
5) по табл. 2.1 и формуле (2.49) /к1техн = 1к2техн=/з—21=3 мкм;
6) по выражению (2.42) SOi = 4,4 -10—4 А/В2;
7) по выражению (2.41) S02= 1,93-10~‘ А/В2;
8) ПО Выражению (2.7) Ьк1Дк1техн = 73 И &к2/£и2техн = 18.
Отсюда bKt = 219 мкм, а 42=54 мкм.
Остальные размеры областей МДП-транзисторов выбирают по табл. 2.1.
Рис. 2.31. Топология кристалла КМДП-ИМС ИЛИ — НЕ
При разработке эскиза топологии кристалл разбивают на четыре равные части и производят размещение транзисторов только первого инвертора (Tt—Г4) с учетом технологических ограничений. Плотность размещения элементов обеспечивается последовательным соединением р-канальных транзисторов (1\, Т2) с объединенными стоковой и истоковой областями и параллельным соединением /г-капальных транзисторов (Т3, Т4) через область подложки. Вариант топологии кристалла с четырьмя двухвходовыми инверторами приведен на рис. 2.31. По оси симметрии кристалла расположены фигуры совмещения.
Оценку качества разработанной топологии производят по ранее изложенной методике. Для устранения паразитных n-каналов вводят охранное кольцо р+-ти-па, охватывающее n-канальные транзисторы инверторов, а для устранения остальных паразитных p-каналов толщину окисла кремния йт.д в соответствии с (2.10) делают равной 1,7 мкм.
Определенное по (2.54) значение статического коэффициента разветвления Лраз = 57>Лраз.доп = 10 удовлетворяет требованиям технического задания, поэтому доработку эскиза топологии не производят.
Часть II
КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ
ГИБРИДНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Глава 3
КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ГИС
§ 3.1. Подложки тонкопленочных ГИС
Подложки ГИС являются диэлектрическим и механическим основаниями для расположения пленочных и навесных элементов и служат для теплоотвода. Электрофизические параметры материалов подложек даны в табл. 3.1, а химический состав некоторых из них — в табл. 3.2.
Для маломощных ГИС можно применять бесщелочные боросиликатные стекла С41-1 и С48-3, а также ситаллы. По сравнению с ситаллами стекла имеют меньшую теплопроводность, что не позволяет использовать их при повышенных уровнях мощности. Ситалл имеет ряд преимуществ перед стеклами. Он хорошо обрабатывается, выдерживает резкие перепады температуры, обладает высоким электрическим сопротивлением, газонепроницаем, а по механической прочности в 2—3 раза прочнее стекла. Для мощных ГИС применяют керамику поликор, а для особо мощных ГИС — бериллиевую керамику, имеющую очень высокую теплопроводность (см. табл. 3.1).
Недостатком керамики является значительная шероховатость поверхности, что затрудняет получение воспроизводимых номиналов тонкопленочных элементов. По этой причине керамику 22ХС используют только для толстопленочных ГИС. Увеличение класса чистоты обработки поверхности путем глазурования керамики слоем бесшелочного стекла приводит к значительному уменьшению теплопроводности (см. табл. 3.1).
В случаях, когда требуется обеспечить хороший теплоотвод, высокую механическую прочность и жесткость конструкции, применяют металлические подложки: алюминиевые подложки, покрытые слоем анодного оксида, или эмалированные стальные подложки.
Габаритные размеры подложек стандартизованы. Обычно на стандартной подложке групповым методом изготовляют несколько плат ГИС (заметим, что платой называется часть подложки с расположенными на ее поверхности пленочными элементами одной ГИС). Деление стандартной подложки на части, кратные двум и
СО*
Л tf
ю Л
Электрофизические параметры материалов подложек ГИС Материал
99,5% ВеО Ж • ’S w S ьs 7 7 о о о 2 ? ° S о у & g Т 1 т о сч ® § И О О '1*. со —’ w S о t- со — я сх о
я X X S глазуро-। ванная 14 (73—78) X Х10-’ 1,2—1,7 13—16 18-10-* 50
я я X I | полнкор 12—14 (70—75) X хю-7 30—45 10,5 10-Ю-*
22ХС (96%AltOs) 7 о сч о о го —< ш —< о —. I со +1 сЬ о ю
| плавленый кварц 7 in _ 2 2 7 3 1 ® । ю t— ю
снталл СТ50-1 7 2 —1 ш 7 Т - in ' СО* О' . . 1 сч I т 1 1 2 +1 in О о ю
о е? со 3 14 (48±2)-10-7 1,5 3,2—8 15’1’0-* Ю1* 40
0) С41-1 14 (41 ±2) • 10-7 1 7,5 20-10-* 1017 40
Параметр га А 6 II о 6 || ь || <d S я о, m ,1 Чет o-J1 я'1 Ч ° о io 8 с4- и Д о. g га gig s°. н У ’5 ® е 2 g-сч сч &CJ к Н ЁЮ £ II 5&Н S 5 & § ® O.J5S "II -S £"£® е® о.11 Е-5. 2 а. _ ° о g и и к х я ® о-И g« §gs<i Sg 2^ S58& Ь н t? S’0,1 Hi ° Et»— t-="7 O<U mu О s 5 II Q. S 1 S| я о ю -О- И II Я Я II О. II д я
Химический состав подложек ГИС
Состав
Материал подложки SiO, Al,О, ВаО СаО тю, MgO ВаОз Na,0 РеО ЫО,
К,О МпО
C4I-1 60,5 13,5 9,5 9,0 7,5 - 0,25 __
С48-3 66,3 3,5 0,5 20,9 8,0 0,6 0,2
СТ50-1 25,0 20,0 25,0 — — — 30,0 — 0,06 —
Таблица 3.3
1
Типоразмеры плат ГИС (размеры, мм)
№ типоразмера Ширина Длина № типоразмера Ширина Длина Лй типоразмера Ширина Длина № типоразмера Ширина > 1 Длина
1 96 120 6 20 24 111 5 6 16' 8 10
2 60 96 7 16 20 12 2,5 4 17 24 60
3 48 69 л/ 8 12 16 13 16 60 18 15 48
4 30 48 T9 10 16 14 32 60 19 20 45
5 24 30 МО 10 12 15 8 15 — — —
трем, дает ряд типоразмеров плат, приведенных в табл. 3.3. Платы №3— 10 используют в стандартных корпусах, остальные — в бескорпусных ГИС и микросборках. Толщина подложек составляет 0,35—0,6 мм. Размеры подложек имеют только минусовые допуски в пределах (0,1—0,3 мм).
§ 3.2. Материалы элементов тонкопленочных ГИС
Материалы резисторов. Параметры тонкопленочных резисторов определяются свойствами применяемых резистивных материалов, толщиной резистивной пленки и условиями ее формирования. Для создания ГИС необходимы резистивные пленки с удельным поверхностным сопротивлением ps от десятков до десятков тысяч ом на квадрат. Чем меньше толщина пленок, тем выше ps, но одновременно повышается ТК7?» а также ухудшается временная и температурная стабильность пленок.
В качестве резистивных материалов используют чистые металлы и сплавы с высоким электрическим сопротивлением, а также специальные резистивные материалы — керметы, которые состоят из частиц металла и диэлектрика (например, Сг и SiO). Широко распространены пленки хрома и тантала (табл. 3.4). Сплавы, из
to
Основные параметры материалов тонкопленочных резисторов
Материал Параметры
для напыления резистивной пленки контактных площадок удельное поверхностное сопротивление резистивной пленки р£( Ом/П диапазон номинальных значений сопротивлений, Ом допустимая удельная мощность рассеяния POj Вт/см2 температурный коэффициент сопротивления ТКУ? при Т 60-г125°С
Нихром, проволока Х20Н80 (ГОСТ 12766—67) Медь 300 50—30 000 2 мо-4
Нихром, проволока (ГОСТ 8803—58) Золото с подслоем хрома 10 1—10 000 —2,25-10"4
50 5—50 000
Сплав МЛТ-ЗМ (6КО.028.005 ТУ) Медь с подслоем ванадия (луженая) Медь с подслоем нихрома (защищенная никелем) 500 ' 50—50 000 2-10-4
Хром (ГОСТ 5905—67) Медь (луженая) 500 50—30 000 I 0,6-10~4__
Кермет К-50С (ETO.02l.013 ТУ) Золото с подслоем хрома (нихрома) 3000 - 5000 10 000 1000—10 000 500—200 000- 10 000—10 000 000 2 з-ю-4 —4-Ю1-4 , —5-ПУ-4
с. CD П родолжение табл. 3.4
Матери ал Параметры
для напыления резистивной пленки контактных площадок удельное поверхностное сопротивление резистивной пленки р^, Ом/а диапазон номинальных значений сопротивлений, Ом допустимая удельная МОЩНОСТЬ рассеяния Ро, Вт/см 2 температурный коэффициент сопротивления ТК/? при Т X5O-j-125°C
Тантал ТВЧ; лента толщиной 0,3—3 мм (РЭТУ 1244—67) Алюминий с подслоем ванадия 20—100 100—10 000' 3 -2-Ю-4
Медь с подслоем пи-хрома 100 50—100 000
Тантал 10 10—15 000
Сплав РС-3001 (ЕТО.021.019 ТУ) Сплав РС-3710 (ЕТО.021.034 ТУ) Золото с подслоем хрома (нихрома) 1000 2000 ’ 100—50 000 , 200—100 000 2 —0,2-10-*
3000 1000—200 000 -з-ю-4
которых наиболее часто используют нихром, имеют большее значение ps по сравнению с пленками чистых металлов. На основе керметов получают высокоомные резисторы. Наиболее распространен кермет, в состав которого входят хром и моноокись кремния (50— 90% Сг, 50—10% SiO). В зависимости от содержания хрома можно получить резистивные пленки с удельным сопротивлением от сотен ом на квадрат до десятков килоом на квадрат, обладающие высокой стабильностью. Однако в связи с тем, что свойства керметных пленок в сильной степени зависят от технологических факторов, резисторы имеют худшую воспроизводимость номиналов и больший ТК/? по сравнению с металлическими; В настоящее время промышленностью освоена большая группа металлосилицидных сплавов системы Сг—Si, легированных небольшими добавками железа, никеля, кобальта, вольфрама (PC-3001, PC-3710, РС-5604К, МЛТ-ЗМ, РС-5406Н). При сравнительно малом ТК7? и высокой стабильности воспроизведения удельных поверхностных сопротивлений диапазон номиналов сплавов PC достаточно широк: 50 Ом/П— 50 кОм/П. Наиболее часто используют сплавы PC-3001, РС-3710 (37,9% Сг, 9,4% Ni, 52,7% Si), МЛТ-ЗМ (43,6% Si, 17,6% Сг, 14,1% Fe, 24,7% W) (см. табл. 3.4).
Материалы конденсаторов. Обкладки конденсаторов должны иметь высокую проводимость, коррозионную стойкость, технологическую совместимость с материалом подложки и диэлектрика конденсатора: ТКЛР, близкие к ТКЛР подложки и диэлектрика, хорошую адгезию к подложке и диэлектрику, высокую механическую прочность.
Наилучшим материалом для обкладок конденсаторов является алюминий, который, однако, имеет плохую адгезию к подложке. Для предотвращения отслаивания нижней обкладки вначале напыляют подслой титана или ванадия. Верхняя обкладка, напыляемая на диэлектрик, не требует подслоя. Применение золота для обкладок не рекомендуется из-за высокой подвижности атомов и возможной диффузии сквозь диэлектрик, приводящей к короткому замыканию обкладок.
Материал диэлектрика должен иметь хорошую адгезию к подложке и материалу обкладок, обладать высокой электрической прочностью и малыми потерями, иметь высокую диэлектрическую проницаемость и минимальную гигроскопичность, не разлагаться в процессе формирования пленок. В качестве диэлектрических материалов наиболее часто используют моноокиси кремния и германия. В табл. 3.5 приведены основные параметры диэлектрических материалов тонкопленочных конденсаторов.
Материалы проводников и контактных площадок. Они должны иметь малое удельное сопротивление, хорошую адгезию к подложке, высокую коррозионную стойкость. Самым распространенным материалом тонкопленочных проводников и контактных площадок в ГИС повышенной надежности является золото с подслоем хрома, нихрома или титана. Подслой обеспечивает высокую адгезию, а золото — нужную проводимость, высокую коррозионную стой-94
ю со
W Ef
S
ю та
Основные параметры диэлектрических материалов тонкопленочных конденсаторов Материал I Параметры
температурный коэффициент емкости ТКС при Г=—604-125’С, 1/°С 2-10-* 7 о со 0,35-10-* (0,5—1) -10-4 при Т — —60-> 4-25° С, (1,5—1,8)-10-* при Г=25-г-155°С
ээкод эн ‘tijw вхохэеъ BEhoged 500 м 1
электрическая прочность ^,р >В/см (2—3) -10е 1,0-10е (3—4)-10е
тангенс угла диэлектрических потерь tg 5 при £• /=1 кГц 0,01—0,02 0,005—0,007 1,001—0,00151 0,002—0,003 1 1
диэлектрическая проницаемость 6. при кГц 1 5,0—6,0 11—12
рабочее напряжение ^раб’ О со О ь- сч 0 ОО 12,6 10—12,6 6,3—10 I 1 6,3 nj
удельная емкость Со, пФ,'см’ 000 5 10 000 5 000 10 000 15 000 2500 000 9 1 . 10 000 15 000 15 000 ^20 000 30 000 1м>40 000 1
Г/ио ,Sd яогводо имиэки эинэкаил.о(111оэ эон -тэонхйэиои эончкэтгХ сч о
для напыления обкладок 'Алюминий А99 (ГОСТ 11069-64) i
для напыления диэлектрика Моноокись кремния (ГОСТ 5.634—70) Моноокись германия (ГОСТ 19602— 74) Боросиликатное стекло (ЕТО.035.015 ТУ) Стекло электровакуумное С41-1 (НПО.027.600)
V
Продолжение табл. 3.5
Пара метры температурный коэффициент емкости ТКС при Т=—60^125’С, 1/’С 1 О Tf*
aalfoQ эн ‘ttjw •/ ехохэеь BBhoged 0,1
электрическая прочность ^„р, В/см >•' oOIS
тангенс угла диэлектрических потерь tg 5 при /=1кГц 0,02
диэлектрическая проницаемость в при /-1кГц СО см
рабочее напряжение "раб’ В ю ' ° со
удельная емкость Со, пФ/см2 о S ООО 001 200 000
□/ко яотгводо ИЯНЭ1ГП эинэкаит.офюэ эон1^ -OHxdOHou эончкэкХ 1—10 0,2 ।
Материал 1 для напыления обкладок Тантал ТВЧ (РЭТУ 1244—67), нижняя обкладка Алюминий А99 (ГОСТ 11069—64) с подслоем ванадия (верхняя обкладка)
для напыления диэлектрика Пятиокись тантала (электрохимическое анодирование)
кость, возможность пайки и сварки. Толщина золотых пленочных проводников обычно составляет 0,5—1 мкм.
В аппаратуре с менее жесткими требованиями к надежности в качестве проводников используют пленки меди или алюминия с подслоем хрома, нихрома или титана. Для предотвращения окисления меди и улучшения условий пайки или сварки ее покрывают никелем, золотом или серебром. Для пайки медные контактные пло-
Таблица 3.6
Параметры многокомпонентных систем проводников и контактных площадок тонкопленочных ГИС
Материалы подслоя, слоя и покрытия Толщина слоев, мкм Удельное поверхностное сопротивление р5, ом/а Рекомендуемый способ контактирования внешних выводов
Подслой — нихром Х20Н80 (ГОСТ 2238—58) Слой — золото Зл999,9 (ГОСТ 7222—54) 0,01—0,03 0,6—0,8 0,03—0,05 Пайка микропаяльником или сварка импульсным косвенным нагревом
Подслой — нихром Х20Н80 (ГОСТ 2238—58) Слой — медь МВ (вакуум-плавленая) (МРТУ 14-14-42—65) Покрытие — никель (МРТУ 14-14-46—65) 0,01—0,03 0,6—0,8 0,08—0,12 0,02—0,04 Сварка импульсным косвенным нагревом
Подслой — нихром Х20Н80 (ГОСТ 2238—58) Слой — медь МВ (ваку« умплавленая) (МРТУ 14-14-42—65) Покрытие — золото -Зл999,9 (ГОСТ 7222—54) 0,01—0,03 0,6—0,8 0,05—0,06 0,02—0,04 Пайка микропаяльником или сварка импульсным косвенным нагревом
Подслой — нихром Х20Н80 (ГОСТ 2238—58) Слой — алюминий А97 (ГОСТ 11069—64) 0,01—0,03 0,3—0,5 0,06—0,1 Сварка сдвоенным электродом
Подслой — нихром Х20Н80 (ГОСТ 2238—58) Слой — алюминий А99 (ГОСТ 11069—58) Покрытие — никель (МРТУ 14-14-46—65) 0,04—0,05 0,25—0,35 0,05 0,1—0,2 Сварка импульсным косвенным нагревом
щадки целесообразно облуживать погружением схемы в припой, при этом остальные пленочные элементы должны быть защищены.
Алюминий обладает достаточно высокой коррозионной стой костью и может использоваться как с защитным покрытием никеля для обеспечения возможности пайки, так и без него, если присоединение навесных компонентов и внешних контактов осуществляется сваркой. Толщина медных и алюминиевых проводников равна ~ 1 мкм, а толщина никелевого или золотого покрытия обычно с ставляет десятые — сотые доли микрометра.
В табл. 3.6 приведены основные параметры токопроводящих м териалов, подслоя и покрытия, а в табл. 3.7 — параметры диэлек
Таблица 3.7
Электрофизические параметры материалов, применяемых для защиты элементов тонкопленочных ГИС
Материалы ди электрика Параметры
удельная емкость Со, пФ/мм3 тангенс угла диэлектрических потерь tg 5 при /=1кГц удельное объемное сопротивление Ру, Ом - см электрическая проч-н0сть£пр, В/см температурный коэффи- циент ткс при Т—— - 60-^85’С 1/’С
Моноокись кремния 17 0,03 1-1012 3-106 5-10—4
6К0.028.004 ТУ Халькогенидное стекло 50 0,01 М012 4-105 5-19-4
ИКС-24 Негативный фоторезист 12 0,01 1-1012 МО5 5-Ю—4
ФН-108 ХАО.028.077 ТУ Фоторезист ФН-11 59—89 — 3-1012 6-105 —
ТУ 6-14-631—71 Лак полиимидный электро- 89—100 — 2-1012 5-105 —
изоляционный Окись кремния 5Юг 100 — 1-1013 6-105 —
трических материалов, применяемых для защиты элементов тонкопленочных ГИС. Следует различать многослойную разводку от многоуровневой, когда создается система коммутации элементов и компонентов ГИС в несколько этажей (уровней), разделенных слоем диэлектрика. В каждом из уровней разводка может быть многослойной.
§ 3.3. Методы формирования конфигураций элементов тонкопленочных ГИС
Для формирования конфигураций проводящего, резистивного и диэлектрического слоев используют различные методы: масочный — соответствующие материалы напыляют на подложку через съемные маски; фотолитографический — пленку наносят на всю поверхность подложки, а затем вытравливают с определенных участков; элек-
С
тронполучевой — некоторые участки пленки удаляют по заданной программе с подложки испарением под воздействием электронного \чуча; лазерный — аналогичен электроннолучевому, только вместо Электронного применяют луч лазера. Наибольшее распространение Аолучили два первых способа, а также их комбина ции.
Масочный метод. При -^сочном методе рекомен-•тся такая последова-t „явность формирования слоев для изготовления ГИС, содержащих резисторы, проводники, пересечения пленочных проводников, конденсаторы. Напыление: 1) резисторов; 2) проводников и контактных площадок; 3) межслойной изоляции; 1) проводников; 5) нижних обкладок конденсаторов; 6) диэлектрика; 7) верхних обкладок конденсаторов; 8) защитного слоя. При отсутствии конденсаторов исключаются операции 5—7, а при отсутствии пересечений — операции 3, 4.
Фотолитографический метод. При фотолитографическом методе для изготовления ГИС, содержащих резисторы и проводники, используют два варианта технологии:
1) напыление материала резистивной пленки; напыление материала проводящей пленки; фотолитография проводящего слоя; фотолитография резистивного слоя; нанесение защитного слоя;
2) после проведения первых двух операций — фотолитография проводящего и резистивного слоев; фотолитография проводящего слоя; нанесение защитного слоя.
При производстве микросхем, содержащих проводники и рези-4*
Рис. 3.1. Технологический процесс производства тонкопленочной ГИС комбинированным масочным и фотолитографическим методами:
а — напыление резисторов через маску; б — напыление проводящей пленки; е,— фотолитография проводящего слоя. Напыление через 'маску: г — нижних обкладок конденсаторов; д — диэлектрика; е — верхних обкладок конденсаторов; ж — нанесение защитного слоя; з — монтаж навесных компонентов с жесткими выводами
98
99
сторы из двух разных резистивных материалов, рекомендуется та кая последовательность операций: напыление пленки первого р'! зистивного материала; напыление пленки второго резистивно I материала; напыление материала проводящей пленки; фотолг < графия проводящего сз ) фотолитография вторе резистивного слоя; фото|
графия проводящего cj
’/ з)
Рис. 3.2. Технологический процесс производства тонкопленочной ГИС комбинированным методом (масочным и двойной фотолитографии): а — напыление сплошных резистивной н проводящей пленок; б — травление проводящего и резистивного слоев; в — селективное травление проводящего слоя. Напыление через маску, г — нижних обкладок конденсаторов; д — диэлектрика; е — верхних обкладок конденсаторов; ж — нанесение защитного слоя; з — монтаж навесных компонентов
пленки
защитного слоя. 1>
Комбинированный ма сочный и фотолитографи ческий метод. При совм щении масочного и фот литографического методо1 для микросхем, содержа щих резисторы, проводим1 ки и конденсаторы, ис пользуют два вариант? технологии: (
1) напыление резисто' ров через маску; напыление проводящей на резистивную; фотоли, тография проводяще слоя; поочередное напыл ние через маску нижни. обкладок, диэлектрика и верхних обкладок конденсаторов; нанесение защитного слоя (рис. 3.1, а—ж). На рис. 3.1,з показан монтаж навесных компонентов с жесткими выводами;
2) напыление резистивное пленки; напыление проводящей пленки на резистивную; фотолитография проводящего и резистивного слоев; фотолитография проводящего слоя, напыление через маску нижних обкладок, диэлектрика и верхних обкладок конденсаторов; нанесение защитного слоя (рис. 3.2, а—ж). Монтаж навесных компонентов представлен на рис. 3.2, з.
Для схем, не содержащих конденсаторы, применяют один из 1 трех вариантов:
1) напыление через маску резисторов; напыление проводящей ленки; фотолитография проводящего слоя; нанесение защитного
J оя;
t *2) напыление резистивной пленки; фотолитография резистивно-л -услоя; напыление через маску проводников и контактных площа-
jk; нанесение защитного слоя;
Слоя; сроти. 3) напыление резистивной пленки; напыление через маску кон-литография первого pe3HcLaKTibIX площадок и проводников; ^фотолитография резистивного тивного слоя; нанесениК,лоя-нанесение защитного слоя. „
защитного о.поя 1г ’
К Рекомендации по применению методов изготовления ГИС. Ма-Ьочпый метод применяют в мелкосерийном и серийном производстве. Точность изготовления R- и С-элементов ±10%. Фотолитогра-щческий метод используют в массовом производстве. Достижимая очность изготовления пассивных элементов ±1%. Комбинированный масочный и фотолитографический метод применяют в серийном и массовом производстве, при этом максимальная разрешающая способность при изготовлении пленочных элементов 50 мкм, точность изготовления R- и С-элементов ±1 и 10% соответственно.
§ 3.4. Компоненты ГИС
। В качестве компонентов ГИС применяют диоды и диодные матрицы, транзисторы и транзисторные матрицы, полупроводниковые ИМС, конденсаторы, наборы прецизионных резисторов и конден-дторов, индуктивности, дроссели, трансформаторы. Компоненты /огут иметь жесткие и гибкие выводы.
КС
Соединение с помощью контактола
Паяное (сварное) л/ Клеевое с'единение соединение
Рис. 3.3. Способы крепления компонентов ГИС и присоединения их выводов
Способ монтажа компонентов на плату должен обеспечить фиксацию положения компонента и выводов, сохранение его целостности, параметров и свойств, а также отвод теплоты, сохранение целостности ГИС при термоциклировании, стойкость к вибрациям и
^арДМ' На рис- 3’3 показаиы способы установки, крепления и при-нятт R nnw выводов компонентов ГИС. Гибкие выводы присоединяют в центре контактной площадки (рис. 3.4), При этом конец гибкого вывода не должен выступать за пределы площадки Расстояние от места выхода гибкого вывода его присоединения к контактной половины высоты компонента.
из защитного покрытия до места площадке должно быть не менее
Рис. 3.4. Крепление компонентов ГИС к плате и присоединение гибкого вывода к контактной площадке:
а—расположение вывода на контактной площадке; б — крепление компонента ГИС (1 — подложка; 2 — контактная площадка; 3 — гиб-
кий вывод; 4 — компонент ГИС)
Выбор того или иного типа прибора определяется технологическими возможностями производства, обеспечивающими установку, крепление и присоединение выводов прибора на плате ГИС, а также рядом параметров и критериев, характеризующих работу прибора в конкретной схеме. Поскольку надежность прибора определяется режимами его работы в схеме, следует учитывать зависимость электрических параметров от условий работы схемы, значений токов, напряжений, мощностей и т. д.
Транзисторы и диоды. В табл. 3.8 приведена система обозначений полупроводниковых приборов, используемых в качестве компонентов ГИС.
Способы установки на плату, электрические параметры, габаритные и присоединительные размеры транзисторов приведены в табл. 3.9 и на рис. Зф, а диодов диодных матриц и диодных сборок — в табл. 3.10 и на рис.
Конденсаторы. Перспективными для применения в ГИС являются керамические конденсаторы КЮ-17 (рис 3.7) и КЮ-9 (рис. 3.8, а — в). Их параметры приведены в табл. 3.11 и 3.12. Эти конденсаторы выпускаются двух типов — с нелужеными (посеребренными) и лужеными торцами, являющимися выводами обкладок. Нелуженые выводы предназначены для присоединения к контактным площадкам с помощью гибких выводов (рис. 3.9, а), луженые— непосредственно к контактным площадкам платы ГИС (рис. 3.9, б).
Система обозначений полупроводниковых приборов
00 со
СЗ
«=;
Ю СЗ Н
о
— - - >1 Таблица З.Е * Способы установки на плату, электрические параметры, габаритные ' и присоединительные размеры транзисторов рабаритные размеры, мм, ие более . Интервал рабочих Масса, г, О о ч 3 к S.O О) о с S о 1,00 1,00 1,0 —104-56 0,020 1,20 1,20 0,6 —404-85 0,005 0,83 0,83 0,5 —604-85 0,012 0,86 0,86 0,8 2604-85 0,002 1,33 1,33 1,1 —604-85 0,010 1,00 1,03 1,0 -634-85 0,010 0,66 '0,66 0,6 -554-85 0,002 1,20 1,20 0,8 —604-125 0,003 1,20 1,20 0,8 —604-125 0,003 1,20 1,00 0,8 —604-85 0,001 1,29 1,20 0,8 —404-55 0,005 2,00 2,00 1,0 -604-85 0,020 1,25 3,00 1,00 —604-85 0,006 0,75 0,75 0,34 —604-85 0,010 0,75 0,75 0,34 -404-85 0,010 0,75 0,75 0,34 -504-85 0,010 1,25 1,25 0,37 —60--125 0,003 и;
Электрические параметры I ^ктах, ^ктах, ^кэ' Л9,„ мА мВт В О о ПОП0ООПОО OOlQ Ю GO Ю СЧ СЧ о О СЧО — СЧ СЧ СЧ ~~ сч сч сч 1 1 IS 1 1 1 1 II 1 1 1 ООО I0CCO0O000 С-1 СЧ 4* CM t"-СЧ 4* СЧ 4* 00 4* 4« сосч^- — —' — —*^сч О Ю Ю Ю Ю Ю О О О О Ю — —- — —сч ю со OCOOlCOOCOOOOO — СЧ — СЧ—'СЧСМСЧСЧСЧСЧШО сч сч 20 15 10 50—280 | 15 15 5 25-250 20 15 15 50—280 20 40 200 10—40 чый ток коллектора; я мощность в цепи коллектора; апряжение коллектор—эмиттер при Лэб^Ю кО усиления по току в схеме с общим эмиттером.
Тип ^0 СЧ Г— t СО 4* - СЧ -^+ч г—\ — счсчсосоеососо^йсойм 11111 11111II1 О — C l t~- 1-03 4" — СЧ4'О<ЗТ4* СМ О О О —•4’СЧСОСОШСОСОСО — счсчеосоСысососососососо ts^ СЧ сч сч 1 2ТЗЗЗА—2ТЗЗЭЕ i КТ348А—КТ348В КТ359А—КТ359В Рис. з£ г | 2Т205А Примечание: /„ тах — максималы Р тах — максимальна , UKa — постоянное н — коэффициент
Способ установки <3 'о Mi •'О СО СО а = GU Л Рис. в
Способы установки на плату, электрические параметры, габаритные и присоединительные размеры бескорпусных диодных матриц, диодных сборок, диодов
Способ установки Тин Электрические параметры Габаритные раз- Масса, г, не более
^обр шах’ R Л<р шах ’ мА К ОЛИЧССТВО ДИОДОМ схема соединений меры, а мм, не более
b Н
Рис. З/j, а 2Д918Б, 2Д918Г КД907Б, КД907Г 40 53 4 С общим анодом 1,15 1,15 1,0 0,005 0,006
Рис. З.^Гб КД901А— КД901Г 2Д904А— 2Д904Е 13 12 5 6 6 С общим катодом 1,1 1,3 1,0 1 ,з 1,1 1,0 0,8 1,0 0,005 0,010
^Рис^З^Гв^ 2ДС408А?. 2ДС408Б ’ 12 23 4 Диоды не соединены между собой 0,9 1,1 0,7 0,006
Рис. 3^ г 2Д910А— 2Д910В '2Д911А— 2Д911Б 5 10 3 С общим катодом 1,0 1,0 Т,0 1,0 1,0 1,0 0,0!
Рис. 3.5, в 2Д912А 13 5 3 С общим анодом 0,75 0,75 6,34 0,01
КД913А 10 10 1 3 С общим катодом 0,75 0,75 0,75 0,002
интервале темпера»
Примечание: б/о6р тах — постоянное обратное напряжение в тур — 60ч-80° С:
7пр max — суммарный средний прямой ток через все диоды или одни днод в интервале температур —60+85" С.
Выбор типа конденсатора производят по значениям емкости, рабочего напряжения, интервалу рабочих температур, допустимой, реактивной мощности и допустимому отклонению емкости от номинала.
Керамические конденсаторы в зависимости от вида примененной для диэлектрика керамики подразделяют на группы. Конденсаторы с диэлектриком из высокочастотной керамики имеют нормированный ТКС (группы ПЗЗ, М47, М75, М750, М1500, М2200). В написании группа букв означает: П — положительный, М —отрицательный ТКС, а цифра —среднее знчение ТКС-10-6 на частотах порядка мегагерц. В зависимости от номинала допустимое
a)
Рис. 3.5. Способы установки на плату, габаритные и присоединительные размеры транзисторов в соответствии с табл. 3.9
Размеры контактных площадок приведены в табл. 3.15
Рис, 3.6. Способы установки, габаритные и присоединительные размеры диодных _ матриц и диодных сборок в соответствии с табл. 3.10
Рис. 3.7. Конструкции конденсатора К.Ю-17 с нелужеными и лужеными выводами (Si, Li, Н\— размеры после лужения)
।
Параметры конденсаторов К10-17
Пределы номинальных емкостей для групп ТКС, пФ Допустимая реактивная мощность, пар Габаритные размеры, мм Масса, г, не более
L в Н I-i Bi л/, т
пзз М47 М75
22—68 22—82 33—100 1 1,5 1,2 Г 1,5 1,4 1,2 0,2—0,5 0,1
75—150 91—183 110—233 2 2 1,7 1,о 2 1,9 1,2 0,2—0,7 0,1
160—510 200—620 220—910 3,5 4 2,7 1,0 4 3,0 1,2 1-1,5 0,2
560—910 693—1033 1000—1200 5 5,5 2,7 1,0 5,5 3,0 1,2 1,5—2 0,3
1000—1800 1100—2300 1330—2403 10 5,5 4,3 1,0 5,5 4,6 1,2 1,5—2 10,4
560—820 683—1030 1033—1533 7 4 2,7 1,8 4 3,0 2,0 1—1,5 0,3
1000—1500 1 100—1830 1630—2003 10 о ,0 2,7 1,8 5,5 3,0 2,0 1,2—2 0,4
2000—3000 2400—3600 2700—3930 23 5?5 4,3 1,8 5,5 4,6 2,0 1,5-2 0,5
Рис. 3.8. Конструкции конденсатора КЮ-9 с нелужеными (а) и лужеными (б) выводами; конденсатора К10-9М с лужеными выводами (в) (В, S — размеры после металлизации, Sj — размеры после металлизации и лужения)
Рис. 3.9. Способы установки конденсаторов К10-17 и КЮ-9 на плату ГИС:
а — с гибкими выводами; б — на контактные площадки
оо Параметры конденсаторовК10-9
Типоразмер^ Пределы номинальных емкостей для групп ТКС, пФ Допустимая реактивная мощность, вар Габаритные размеры, мм Масса, г, не более
ПЗЗ, М47 М75 М1500 НЗО Н90 L в S в, Si
1 2,2—10 11—24 36—1 000 150—1 000 1 000—3 300 1,25 2 2 0,6 2 1,2 0,1
2 11—27 27—51 110—200 1 500 4 700 2,5 2 4 0,6 4 0,15
3 30—51 56—120 220—390 2 200—3 300 6 800—10 000 5 4 0,3
4 10-51 22—120 180—390 680—3 300 1 000—10 000 5 2,5 5,5 0,6 5,5 о.з
0,6
5 56—120 130—270 430—1 000 4 700—6 800 15 000—2 200 10 6
6 11-24 27—62 110—240 1 500—2 200 4 700—10 000 1,25 2 2 1 2 1,5 0,1
7 30—62 56—120 220—470 2 200—4 700 6 800—15 000 2,5 2 4 1 л 0,15
8 68—120 130—270 520—1 000 6 800—10 000 22 000—33 000 5 4 0,3
9 56—120 130—270 430—2 000 4 700—10 000 15 000—33 000 5 2,5 5,5/ 1 5,5 0,6
10 130—330 300—620 1 100—2 400 15 000—33 000 57 000—68 000 10 6
——— —— .—— .. Поодолжение табл. Я 12
1 Типоразмер Пределы номинальных емкостей для групп ТКС, пФ Допустима реактивна мощность, вар Габаритные размеры, мм » <У «J ч 8,8 «J w-< О < я
ПЗЗ, М47 М75 М1500 изо Н90 Й и L в S в, S.
11 27-38 68-91 273—390 3 300 15 000 2,5 2 2 1,4 2 2 0,2
12 13 68—100 130—200 510—750 6 800 22 000 5 2 4 1,4 4 0,3
ИО—200 220—430 820—1 500 10 000—15 000 33 000—47 000 10 4 0,5
14 130—200 300—430 1 100—1 500 15 000 47 000 10 2,5 5,5 М 5,5 0,5
15 220—560 470—1200 1 600—4 700 22 000—47 000 68 000—100 000 -20 6 1,0
16 110—150 220—430 820—1 500 10 000—15 000 33 000—47 000 5 2 4 2,5 4 3 0,3
17 160—330 470—820 1 600—3 000 22 000—33 000 68 000—100 000 10 5 0,5
18 220—330 470—820 1 600—3 ооо 22 000—33 000 68 000—100 000 10 2,5 5,5 2,5 5,5 0,5
19 360-820 910—2200 3 300—8 200 47 000—68 000 15 000—22 000 20 6 1,0
§ 20 9 10—2200 2400—3900 9 100—15 000 10000—15000 ; 13 000—47 000 30 8 8 2,5 8 1,5
Номинальное напряжение, В Номинальная емкость, мкФ Габаритные размеры, мм Масса, г, не более
L ' в н А
3 2,2; 3,3 2,5 4 2 2,3 0, 15
4,7; 6,7 5,0 0,25
10; 15 0,65
8 5,5
22; 33 10,0 1 ,5
6,3 1,5; 2,2 2,5 4 2 2,3 0,15
3,3; 4,7 5.0 0,25
8 5,5
6,8 0,65
10; 15 10,0 1,5
10 1,0; 1,5 2,5 4 2 2,3 0,65
2,2; 3,3 5,0 1,5
16 0,68; 1,0 2,5 4 2 2,3 0,15
1,5; 2,2 5,0 0,25
3,3; 4,7 8 5,5 0,65
6,8; 10 10,0 1,5
4
20 0,47; 0,68 2,5. 2 2,3 0,15
1,0; 1,5 5,0 0,25
8
2,2; 3,3 5,5 0,65
4,7; 6,8 10,0 1,5
30 0,1; 0,15; 0,22 2,5 4 1,6 2,3 0,12
0,68; 1,0 5,0 2 0,25
1,5; 2,2 5,5 0,65
8
3,3; 4,7 10,0 1,5
0,33; 0,47 2,5 2,3 0,15
отклонение емкости конденсаторов этих групп составляет ±5, 10, 20%. Конденсаторы с диэлектриком из низкочастотной керамики имеют ненормированный ТКС (группы НЗО, Н50, Н70, Н90) и допустимое отклонение емкости от номинала соответственно ±30, ±50, —70±50, —90±50%.
Номинальное напряжение конденсаторовгКЮ-17 25 В, интервал рабочих температур —60±80°С, сопротивление изоляции не менее 10 МОм. Конденсаторы^КДО-Э^работают при более низких напряже-hhhx~(tio 16 В), но в более широком интервале температур —60± 125° С при том же значении сопротивления изоляции.
В качестве электролитических конденсаторов в ГИС целесообразно использовать малогабаритные оксидно-полупроводниковые конденсаторы К53. Они рассчитаны на рабочее напряжение до ЗОВ в интервале температур —60±85° С. Электролитические конденсаторы К53-15 и К53-16 отличаются конструкцией выводов.
Конденсатор К53-15 (рис. 3.10) имеет выводы по типу шариковых и предназначен для автоматизированного монтажа, а конденсатор К53-16 имеет гибкие выводы (рис. 3.11) и монтируется на плату с помощью проволочного монтажа. Параметры конденсаторов К53-15 и К53-16 приведены в табл. 3.13 и 3.14.
Рис. 3.10. Конструкция конденсатора К53-15
Рис. 3.11. Конструкция конденсатора К53-16
Таблица 3.14
Параметры конденсаторов К53-16
Номинальное напряжение, В Номинальная емкость, мкФ Размеры, мм Масса, г, не более
%iax ^тах t_r max
1.6 1,5; 2,2 4,7 6,8; 10 1,9 2,3 2,3 3,4 3,7 5,0 3,4 1,6 1,6 0,05 0,075 0,1
Номинальное напряжение, В Размеры, мм
Номинальная емкость, мкФ ^•тах ^тах ^тах Масса, г, не более
3 1.0 3,3 4,7 1,9 2,3 2,3 3,4 3,7 5,0 1,2 1,6 1,6 0,05 0,075 0,1
4 2,2 3,3 2,3 2,3 3,7 5,0 1,6 1,6 0,075 0,1
6,3 0,68 1,5 2,2 1,9 2,3 2,3 3,4 3,7 5,0 1,2 1,6 1,6 0,05 0,075 0,1
10 0,47 1,0 1,5 1,9 2,3 2,3 3,4 3,7 5,0 1,2 1,6 1,6 0,05 0,075 0,1
1'6 0,33 0,68 1,0 1,9 2,3 2,3 3,4 3,7 5,0 1,2 1,6 1,6 0,05 0,075 0,01
20 0,22 0,47 0,68 1,9 2,3 2,3 3,4 3,7 5,0 1,2 1,6 1,6 0,05 0,075 0,1
30 0,01; 0,015 0,022; 0,033 0,047; 0,047; 0,1 0,15 1,9 3,4 1,2 0,05
0,22; 0,33 0,47 2,3 2,3 3,7 5,0 1,6 1,6 0,075 0,1
§ 3.5. Конструктивные и технологические ограничения
при проектировании тонкопленочных ГИС
В табл. 3.15 приведены основные конструктивные и технологические ограничения при использовании следующих методов создания пленочных элементов: масочного (М), фотолитографического (Ф), комбинированного масочного и фотолитографического (МФ), электронно-ионного (ЭИ) и по танталовой технологии (ТА).
Помимо ограничений, приведенных в табл. 3.15, при конструировании ГИС необходимо выполнять общие правила и ограничения:
1) каждая плата микросхемы должна иметь ключ, которым яв-' ляется нижняя левая контактная площадка с вырезом по большей стороне платы или специальный знак в форме треугольника, прямоугольника;
Г !
Конструктивные и технологические ограничения при проектировании тонкопленочных ГИС
Элемент топологии Содержание ограничения Размер ограничения, мм, при использовании метода
м Ф МФ ЭИ
1 Точность изготовления линейных размеров пленочных элементов и расстояний между ними Д/, ДЬ, Да, ДД, ДВ и других при расположении пленочных элементов в одном слое, мм ±0,01 ±0,01 ±0,01 ±0,01 4 ±0,01
Минимально допустимый размер резистора, мм b 1 0J 0,15 0,05
* — 0,3 0,1 0,3 ' 0,1
а 1 . Минимально допустимые расстояния между пленочными элементами, расположенными в одном слое, а, мм 0,3 ОД од 0,1 0,05
J Максимально допустимое соотношение размеров 1/а 10 100 30 _ 100
У
Максимально допустимое расстояние между пленочными элементами, расположенными в разных слоях, с, мм 0,2 У 0,2 0,1
- Перекрытия для совмещения пленочных элементов, расположенные в разных слоях, е, мм >0,2 >0J >0,2 >0,1
Минимальное расстояние от пленочных элементов до края платы d, мм 0,5 0,2 0,5 0,4 0,2
Минимальная ширина пленочных проводников i, мм 0,1 0,05 0,1 0,1 0,05
Минимально допустимое расстояние между краем пленочного резистора и краем его кон-тактной площадки /, мм 1 0,2 0,1 0,2 0,1 0,1
Элемент топологии
. Содержание ограничения Размер ограинчення, мм, при использовании метода
М Ф МФ ЭИ ТА
Минимально допустимые расстояния, мм: между краями диэлектрика и нижней обкладки конденсатора f 0,1 0,1 0,1 0,1
между краями верхней и нижней обкладок конденсатора g 0,-2
между краем диэлектрика и соединением вывода конденсатора с другим пленочным элементом h 0,3
между краем диэлектрика и нижней обкладкой конденсатора в месте вывода верхней обкладки с 0,2
от пленочного конденсатора до приклеиваемых навесных компонентов г 0,5
Минимальная площадь перекрытия обкладок конденсаторов LX.B, мм2 0,5X0,5
Максимальное отклонение емкости конденсатора от номинального значения, % ±12
Минимальное расстояние от проволочного проводника или вывода до края контактной площадки или до края пленочного проводника, не защищенного изоляцией, k, мм 0,2
Элемент топологии Содержание ограничения Размер ограничения, мм, при использовании метода
М Ф МФ ЭИ ТА
Минимальные размеры контактных площадок для монтажа навесных компонентов с шариковыми или столбиковыми выводами, мм m п 0,2
0,1
Минимальные размеры контактных площадок для контроля электрических параметров, мм . 0,2 X 0,2
Минимальное расстояние между контактными площадками для приварки и припайки проволочных проводников, мм 0,2
Максимальная длина гибкого вывода без дополнительного крепления о, мм 3,0
Минимальные рас- стояния, мм, между контактными площадками для монтажа навесных компонентов с шариковыми или столбиковыми выводами и пленочным резистором р, диэлектриком конденсатора 5 0,6 0,35
Минимальные расстояния, мм, от края навесного компонента, до: края платы q края другого компонента г края навесного пассивного компонента края контактной площадки, предназначенной для приварки проволочных ВЫВОДОВ, S проволочного проводника луженого пленочного элемента 0,4 °’4 0,6 0,4 0,3 0,2 - Для всех методов
Элемент топологии Содержание ограничения Ч Размер ограничения, мм, при использовании метода
М ф МФ ЭИ ТА J
Минимальные размеры контактных площадок для приварки проволочных проводников или проволочных выводов навесных компонентов при диаметре проволоки, мм: для одного проводника Й п (П для двух k проводников для трех проводников для одного проводника 0 0 04 для двух ’ проводников для трех проводников для одного проводника 0 0,05 для двух ’ проводников для трех проводников 0,15X0,1 ; 0,2 X 0,2 0,2 X 0,3 1 0,2X0,15 0,25X0,25 0,25X0,40 0,25X0,2 0,3 X 0,3 Г 0,3 X 0,5
2) в одной микросхеме следует применять навесные компоненты с одинаковым диаметром и материалом гибких выводов. Однотипные по расположению выводов компоненты предпочтительнее ориентировать одинаково;
3) навесные компоненты рекомендуется по возможности располагать рядами, параллельными сторонам платы. Допускается установка навесных активных компонентов с гибкими выводами вплотную, если контакт между ними не влияет на работоспособность схемы;
4) при рядном расположении навесных компонентов рекомендуется рядное расположение контактных площадок под одноименные выводы;
5) не допускается установка навесных компонентов на пленочные конденсаторы, пленочные индуктивности и пересечения пленочных проводников. Допускается установка навесных компонентов на пленочные проводники и резисторы, защищенные диэлектриком;
6) не допускаются резкие изгибы и натяжение проволочных проводников. Не рекомендуется делать перегиб проволочного вывода 116
я
через навесной компонент. Проволочные проводники и гибкие выводы не должны проходить над пленочным конденсатором;
7) не допускается оставлять незакрепленными участки гибких выводов длиной более 3 мм. Необходимо предусмотреть закрепление их точками клея холодного отвердения (например, эпоксидного клея ЭД-20, ЭД-16).
§ 3.6. Расчет конструкций элементов тонкопленочных ГИС
Конфигурации тонкопленочных резисторов. Типовые конфигурации тонкопленочных резисторов приведены на рис. 3.12, а — г. Наиболее распространенной является прямоугольная форма, как самая простая по технологическому исполнению. Резистор в виде полосок занимает большую площадь, чем резисторы типа «меандр» или «змейка».
S)
Рис. 3.12. Конфигурации тонкопленочных резисторов: а — полоска; б — составной из полосок; в—меандр; г — змейка
рекомендуется применять
Рис. 3.13. Конфигурации резисторов, сопротивление которых зависит от погрешности совмещения слоев
При масочном методе изготовления резисторов, изображенных на рис. 3.12, б — г, расстояние между соседними резистивными полосками должно быть не менее 300 мкм, длина резистивных участков I не должна превышать расстояние а более чем в 10 раз для обеспечения необходимой жесткости маски. При этом точность изготовления резисторов типа «меандр» и «змейка» не превышает 20%. Для получения большей точности конфигурацию, изображенную на рис. 3.12,6, или выполнять резистор методом фотолитографии.
Меандр уступает в отношении стабильности- и надежности конструкции типа «змейка» из-за перегрева в уголках, но он предпочтительнее с точки зрения изготовления фотошаблонов и поэтому более распространен.
Контактные площадки следует располагать с противоположных сторон резистора для устранения погрешности
совмещения проводящего и резистивного слоев. По этой причине придавать резисторам форму, изображенную на рис. 3.13, не рекомендуется, так как сопротивление таких резисторов зависит от точности совмещения масок и фотошаблонов (неточности при совмещении изменяют длину таких резисторов).
Конструктивный расчет тонкопленочных резисторов. Конструктивный расчет тонкопленочных резисторов заключается в определении формы, геометрических размеров и минимальной площади, занимаемой резисторами на подложке. При этом необходимо, чтобы резисторы обеспечивали рассеивание заданной мощности при удовлетворении требуемой точности у« в условиях существующих технологических возможностей.
Исходные данные тля расчета: номинал резистора Ri, Ом; допуск на номинал уД/ . tyQ. мощность рассеяния Pt, мВт; рабочий диапазон температур Ттах—Лпт, °C; технологические ограничения (см. табл. 3.15); шаг координатной сетки, мм.
Порядок расчета
1. Определяют оптимальное с точки зрения минимума площади под резисторами ГИС сопротивление квадрата резистивной пленки:
где п — число резисторов; Ri— номинал Кто резистора.
2. По табл. 3.4 выбирают материал резистивной пленки с удельным сопротивлением, ближайшим по значению к вычисленному Рвопт • При этом необходимо, чтобы ТКУ? материала был минималь-ным, а удельная мощность рассеяния Ро— максимальной.
3. Производят проверку правильности выбранного материала с точки зрения точности изготовления резисторов.
Полная относительная погрешность изготовления пленочного ► резистора \r = ^R/R состоит из суммы погрешностей;
=s + + + У V
где у*—погрешность коэффициента
формы; yPs—погрешность
воспроизведения величины ps резистивной пленки; уП/—темпера-
турная погрешность; уКст — погрешность, обусловленная старением пленки; уйк —погрешность переходных сопротивлений кон
тактов.
Погрешность коэффициента формы улф зависит от погрешностей геометрических размеров — длины I и ширины b резистора:
ук = M/l-\-kblb.
Погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления ур5 зависит от условий напыления и материала резистивной пленки. В условиях серийного производства ее значение не превышает 5%.
Температурная погрешность зависит от TK-R материала пленки: Yfl, = ад (?„,„-20“С), (3.2)
где ан — температурный коэффициент сопротивления материала пленки, I/3С.
Погрешность \йст, обусловленная старением пленки, вызвана медленным изменением структуры пленки во времени и ее окислением. Она зависит от материала пленки и эффективности защиты, а также от условий хранения и эксплуатации. Обычно для ГИС уПст не превышает 3%.
Погрешность переходных сопротивлений контактов увк зависит от технологических условий напыления пленок, удельного сопротивления резистивной пленки и геометрических размеров контактного перехода: длины перекрытия контактирующих пленок, ширины резистора. Обычно унк —1-4-2%. Если материал контактных площадок выбран в соответствии с табл. 3.4, то этой погрешностью можно пренебречь.
Допустимая погрешность коэффициента формы
/ 4„=vb-vPs-4t-tr-yv (3.3)
Если значение укфдоп отрицательно, то это означает, что изготовление резистора заданной точности из выбранного материала невозможно. В этом случае необходимо выбрать другой материал с меньшим ТК/? либо использовать подгонку резисторов, если позволяет технологическое оборудование.
4. Определяют конструкцию резисторов по значению коэффициента формы Кф'.
/<ф=/?/р5. (3.4)
При 1 Дф( 10 рекомендуется конструктировать резистор прямоугольной формы, изображенный на рис. 3.12, при К$г >10 — резистор сложной формы (составной, меандр или типа «змейка», рис. 3.12, б—г), при 0,1 1—резистор прямоугольной фор-
мы, у которого длина меньше ширины. Конструировать резистор с Кф; <0,1 не рекомендуется, так как он будет иметь большие контактные площадки и занимать значительную площадь на подложке.
Если в одной схеме содержатся низкоомные и высокоомные резисторы, можно использовать два резистивных материала, для выбора которых определяют pv сначала для всех резисторов ' опт
по формуле (3.1), после чего разбивают резисторы на две группы так, чтобы Rima* первой группы было меньше, а Д1Пнп второй группы— больше значения ps , вычисленного для всех резисторов.
Затем по этой же формуле рассчитывают р5опт1 и р5опта и выбирают материалы для каждой группы резисторов в отдельности.
5. Дальнейший расчет проводят в зависимости от формы резисторов.
Расчет прямоугольных полосковых резисторов. Для резисторов, имеющих Лф>1 (рис. 3.14, а, б), сначала определяют ширину, а затем длину резистора. Расчетное значение ширины резистора , должно быть не менее наибольшего
Рис. 3.14. К расчету резисторов типа «полоска» (а) и «меандр» (б)
значения одной из трех величин: ^расч >тах {^техн, А10ЧН; Ьр\,
(3.5)
где Ьтехн — минимальная ширина резистора, определяемая возможностями технологического процесса (см. табл. 3.15); ЬТочн— ширина резистора, определяемая точностью изготовления:
^точн
Д6 4- Д///Сф
(Д&, Д/ — погрешности изготовления ширины
.^Х-(з.б)
и длины резистора,
зависящие от метода изготовления, см. табл. 3.15); Ьр— минималь-
ная ширина резистора, при которой обеспечивается заданная мощ-
ность:
Ьр
(3.7)
За ширину b резистора принимают ближайшее к ЬраСч большее значение, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии с учетом масштаба. Для тонкопленочной технологии шаг координатной сетки обычно составляет 1 или 0,5 мм. Например, если шаг координатной сетки 1 мм, масштаб 20: 1, то округление производят до величины, кратной 0,05 мм.
Далее находят расчетную длину резистора:
(3.8)
За длину I резистора принимают ближайшее к /расч значение, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии с учетом масштаба. При этом следует оценивать получающуюся погрешность и при необходимости выбирать большее значение ширины b резистора, при котором округление длины /раСч дает приемлемую погрешность.
Определяют полную длину резистора с учетом перекрытия контактных площадок;
/ПОлн=/4-2е, (3.9)
где е — размер перекрытия резистора и контактных площадок (см. табл. 3.15).
При использовании метода двойной фотолитографии /Полн = /.
Площадь, занимаемая резистором на подложке,
s=lm.,b. (3.10)
Для резисторов, имеющих /<ф<1, сначала определяют длину, а затем ширину резистора.
Расчетное значение длины резистора /раСч выбирают из условия ^расч ГПЭХ {/техн» /Точн> ^р} , (^-^0
где /техн—минимальная длина резистора, определяемая разрешающей способностью выбранного метода формирования .конфигурации (см. табл. 3.15); /точи — минимальная длина резистора, при которой обеспечивается заданная точность:
/то,я>(Д/ + 4«СфЖф, (3.12)
1Р—минимальная длина резистора, при которой рассеивается заданная мощность:
1Р=]/Р1<ф/Рй. (3.13)
За длину I резистора принимают ближайшее к /раСч значение, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии.
Расчетную ширину резистора определяют по формуле
6рас,=//Л-ф. (3.14)
За ширину b резистора принимают ближайшее к &расч значение, кратное шагу координатной сетки. При этом следует оценивать получающуюся погрешность и при необходимости корректировать значение длины I резистора в большую сторону, при котором округление ширины ЬрЯСч дает приемлемую погрешность.
Полную длину резистора с учетом перекрытия контактных площадок и площадь резистора определяют соответственно по формулам (3.9) и (3.10).
Для проверки находят действительную удельную мощность и погрешность резистора. Очевидно, резистор спроектирован удовлетворительно, если: z
1) удельная мощность рассеяния Ро' не превышает допустимого значения Pq.
p'0==p/S<p0- (3.15)
2) погрешность коэффициента формы у/г 11 е превышает допустимого значения укфД0П :
У^ф= Д///полн~|~ '^'¥к-фДОП; (3.16)
3) суммарная погрешность у'р не превышает допуска уд:
^=Vts + 14„+YK/ + v„K + vAT<VR. (3.17)
Конструктивный расчет тонкопленочных резисторов сложной формы. При конструировании резистора в виде отдельных резистивных полосок, соединенных проводящими перемычками (см. рис.
3.12, б), сумма длин резистивных полосок должна быть равна длине, определенной по формуле 1 = ЬКф.
Резисторы типа «меандр» (рис. 3.14, б) рассчитывают из условия минимальной площади, занимаемой резистором.
Расчет меандра проводят после определения ширины b рези;, тора в такой последовательности.
Определяют длину средней линии меандра:
/ср=6Кф. (3.18)
Задают расстояние между резистивными полосками а. С учетом технологических ограничений (см. табл. 3.15) при масочном методе flmin = 300 мкм, при фотолитографии amin=100 мкм (обычно зад: а = Ь).
Находят шаг одного звена меандра:
t=a-\-b. (3.19)
Определяют оптимальное число звеньев меандра иОпг из условг чтобы площадь, занимаемая резистором типа «меандр», была мин. мальной. Очевидно, это будет в случае, когда меандр вписывается ь квадрат (Е=Д).
Если отношение длины средней линии меандра к ширине резистивной полоски больше 10, то оптимальное число звеньев меандра может быть вычислено по приближенной формуле
«0П1 ~/(/ср/0 (Ж). (3.20)
При L = B (меандр квадратной формы) и а = Ь выражение упрощается:
«о„~ГХф/2. (3.211
Значение иОпт округляют до ближайшего целого.
Определяют длину меандра:
L=n(a-\-b). (3.22)
Вычисляют ширину меандра:
В = —--------, (3.23,
п
где п — оптимальное число звеньев меандра, округленное до ближайшего целого.
Расстояние а выбирают из конструктивно-технологических соображений. Например, при напылении резисторов через маску размер tfmin определяется минимально возможным расстоянием между соседними щелями в маске. Для обеспечения требуемой жесткости маски оно должно удовлетворять условию
^ах/а < 10. (3.24)
Если это условие не выполняется, необходимо изменить расстояние а и вновь вычислить Иопт, Е, В. Для фотолитографического метода указанное условие некритично.
Приведенные расчетные соотношения не учитывают, что в резисторах типа «меандр» плотность тока в изгибах неравномерна (рис. j.15). Это приводит к сокращению электрической длины пленочного
f Рис. 3.15. Распределение
плотности тока в резисторах типа «меандр»
Рис. 3.16. Конструкции изгибов пленочных резисторов типа «меандр»:
а — изгиб под прямым углом: б — П-об-разный изгиб
резистора и уменьшению его сопротивления. Неравномерное распределение плотности тока наблюдается в пределах трех квадратов области изгиба (рис. 3.16, а, б).
Для приближенной оценки сопротивления меандра можно воспользоваться формулой
R ~ Ps Gcp/&) = Ps^Gjr
< Для уточненного расчета с учетом изгибов конструкцию резистора типа «меандр» можно представить в виде последовательно соединенных прямолинейных участков и изгибов. При этом его сопротивление можно определить как сумму сопротивлений прямолинейных участков и изгибов:
+ —у— Ps, (3.25)
Де Rn— сопротивление изгибов; т — число изгибов, /п — длина прямолинейных участков; п — число звеньев меандра.
Для изгиба под прямым углом (рис. 3.16, a) Rn = 2,55 ps, для П-образного изгиба (рис. 3.16, б) Дп=4р5,. Отсюда длина прямолинейного участка одного звена меандра
b. (3.26)
?sn
После этого корректируют размеры L и В с целью обеспечения заданного номинала резистора.
Квадратная или близкая к ней форма резистора типа «меандр» часто оказывается неудобной при компоновке пленочных элементов на подложке микросхемы, например, из-за отличной от квадрата
площади, отводимой под резистор. Тогда, зная габаритную площадь меандра S = LB и задавшись одним из размеров меандра (например, В'), определяют второй размер L' и число звеньев меандра п'\
Г = SIB' ,*п' = L'jt.
Пример расчета группы резисторов
Определить форму, геометрические размеры, метод изготовления и минимальную площадь, занимаемую резисторами на подложке, при следующих исходных данных: номиналы резисторов /?1 = 6 кОм, /?2=1 кОм, ^3=100 кОм, допустимое отклонение сопротивления резисторов от номинала =5%, уД2 R = 15%; мощности рассеяния Л = 10 мВт, Р2=30 мВт, Р3=16 мВт; диапазон температур — 20-Е 100° С; погрешность воспроизведения материала резистивной , пленки у р$ =2,5%; погрешность старения резистивной пленки yRcT = 0,3%. /
Определяем оптимальное сопротивление квадрата резистивной пленки п! формуле (3.1): \
/ 6 100 + 1 _
Т/в4-'1/100 4-1 = в'°4 К°',/а’
По табл. 3.4 выбираем материал резистивной пленки с ближайшим к psonT значением ps — кермет К-50С. Его параметры: ps=10 кОм/D, TKR =—5Х ХЮ-4 1/°С; Ро = 2О мВт/мм2.
Проверяем правильность выбранного материала. В соответствии с выражением (3.2) температурная погрешность ул/ = 5-10~4-80-100 = 4%, а допустимая погрешность коэффициента формы для наиболее точного резистора по (3.3) УКфДоп1 = 5—4—0,3—2,5<0. Это означает, что изготовление первого резистора с заданной точностью из данного материала невозможно. Необходимо выбрать другой материал с меньшей температурной погрешностью или изготовлять резистор 1?! с меньшей точностью и последующей подгонкой его до точности 5%.
Допустим, что по условиям производства подгонка нежелательна. Выбираем другой материал. Наименьшую температурную погрешность имеет сплав РС-3001. Его параметры: ps = 2 кОм/D, ТКЯ=—0,2-10-4 1/°С, Ро==2О мВт/мм2.
Определяем температурную погрешность сплава РС-3001: ун/ = 0,2-10-4Х Х80-100=0,16%. Допустимая погрешность коэффициента формы для первого, наиболее точного резистора у'КфДоп1 = 5—2,5—0,16—0,3=2,04%. Соответственно для второго и третьего резисторов укфЯОп2=15—2,5—0,16—0,3 = 12,04%. Следовательно, сплав РС-3001 подходит для изготовления всех резисторов с заданной точностью без подгонки.
Определяем форму резисторов по коэффициенту формы (3.4): Кф1 = 3 — резистор 7?! прямоугольной формы типа полоски, Кф2=0,5— резистор R? прямоугольной формы, но его длина меньше ширины, /Сфз=50— резистор сложной формы.
Далее анализируем технологические возможности и выбираем метод формирования конфигурации резисторов.
С точки зрения технологичности все резисторы целесообразно изготовлять одним методом (см. табл. 3.15). Если метод изготовления заранее не задан, большая часть резисторов имеет прямоугольную форму и нет ограничений по площади подложки, то целесообразно выбрать масочный метод. С помощью этого метода можно изготовить резисторы типа «меандр» лишь с точностью ±20%. Поскольку по условию точность изготовления резистора /?!= ±5% и требуется,, чтобы резисторы занимали минимальную площадь, для данного случая следуеС выбрать фотолитографический метод и выполнять резистор в виде меандра.
По табл. 3.15 определяем технологические ограничения для метода фотоли тографии Д1 = ДЬ = 0,01 ММ, &техн = 1техн = 0,1 ММ, amin = 0,l мм, &mtn = 0,l мм.’
Далее проводим расчет последовательно для каждого резистора.
I___ Расчет резистора
Расчетную ширину резистора определяем по выражениям (3.5) — (3.7):
I ' ^точи= (0,01 + 0,01/3)/0,0204 = 0,654 мм,
* = / 10/(20-3)”= 0,408 мм.
С учетом округления принимаем &i = 0,66 мм. Длина резистора по (3.8) lt = 0,66-3= 1,98 мм. Полную длину резистора с учетом перекрытия контактных площадок (не определяется при методе двойной фотолитографии) находим по ’ (3.9): 1ПОЛН= 1,98+2-0,1 =2,18 мм. Площадь резистора по (3.10) 51 = 0,66-2,18= ’ = 1,439 мм2.
Для проверки определяем действительную удельную мощность и погрешность изготовления резистора по формулам (3.15) — (3.17):
PqT= 10/1,439 == 6,95 мВт/мм2 <20 мВт/мм2,
= (0,01/2,18) + (0,01/0,66)= 0,019 < 0,0204, у^ = 2,5 +0,16 + 0,3 + 1,9 = 4,86% <5%.
Расчет резистора Р2
Поскольку коэффициент формы резистора Р2 меньше единицы, расчет начинаем с определения длины по формулам (3.11) — (3.13);
^Рг=^ К(ЗЭ-0,5)/20= 0,866 мм; /точн2 = (0,01+0,01-0,5)/0,12 = 0,125 мм; /геХн
f выбираем по табл. 3.15. Для метода фотолитографии 1тын = 0,1 мм. Окончательно с учетом шага координатной сетки Z2=0,87 мм. Расчетная ширина по (3.J4) Ь2—0,87/0,5— 1,74 мм. Полная длина с учетом перекрытия контактных площадок /Полн2=0,87+2-0,1 = 1,07 мм. Площадь резистора S2= 1,07-1,74= 1,86 мм2.
Для проверки определяем действительную удельную мощность и погрешность изготовления резистора Д2 по формулам (3.15) — (3.17):
Рф2 = 30/1,86 = 16,1 мВт/мм2 <20 мВт/мм2,
Укф2= (0,01/1,07)+ (0,01/1,74) = 0,015 <0,12, у#, = 2,5 + 0,16 + 0,3+ 1,5 = 4,46% < 15%.
Расчет резистора R3
После определения и выбора формы резистора находим ширину рези-' стора /?з типа «меандр» по формулам (3.5) — (3.7):
__ 0,01 + 0,01/50
точн3~ 0,12
/ 16
= 0,085 мм; Ьр = "I / -----=0,126 мм;
|/ 20-53
^гехн — 0,1 ММ.
С учетом округления Ь3—0,130 мм.
Длина средней линии меандра по (3.18) ZcP3=0,13-50=6,5 мм. Задаемся t<v расстоянием между соседними звеньями меандра. Для метода фотолитографии 'О табл. 3.15 ащ1п = 0,100 мм. Пусть a3—b3—0,13 > мм. Шаг одного звена по Z=25q=0.26 мм. Оптимальное число ’звеньев меандра по (3.11) rtou-r= ]Л(0,13-5Э)/0,2б = 5. Длина меандра по (3.22) /. = 5-0,26=1,3 мм. Ширина меандра по (3.23) Д=(6,5—0,13-5)/5= 1,17 мм.
Проведем уточненный расчет резистора /?3 с учетом неравномерности плс «ости тока в изгибах.
Топология резистора с н=5 приведена на рис. 3.17. Выделим элеме1 П-образных изгибов, так как а=Ь. Количество элементов изгибов т=п (с
Рис. 3.17. К примеру расчета резистора типа «меандр»
том двух приконтактных областей гибов). Сопротивление П-образных гибов /?л = 4рз. .о-'
Рассчитаем длину прямолинег участков по (3.26): Г
100—5-4-2 , >
/п =-----------0,13 = 0,78 м
2-5 i
Окончательные габаритные ра? резистора: длина L по (3.22) L=I X (0,13+0,13) = 1,3 мм, ширина^-, (рис. 3.17)
В =/„+• 46 = 0,78+4-0,13 = 1,3 J
Габаритная площадь резистора 5 =£5=1,3-1,3=1,69 мм2.
Проверка расчета резистора R3 по формулам (3.15) — (3.17):
Т’оз = 16/1,69 = 9,47 мВт/мм2<^20 мРт/мм2;
= (0,01/0,13) + (3,01/0,13.53) = 0,078 < 0,12; ’
Уяз =2,5 + 0,16+0,3 +7,8 = 10,76% < 15%. ..
Проверки показывают, что все резисторы спроектированы удовлетвор дельно.
Расчет тонкопленочных конденсаторов. Все характеристики тонкопленочных конденсаторов: емкость, рабочее напряжение, температурный коэффициент емкости, частотные свойства и размеры — зависят от выбранных материалов, параметры которых рассмотрены в § 3.2.
L
Рис. 3.18. Конструкция тонкопленочного конденсатора с площадью верхней обкладки более 5 мм2
Рис. 3.19. Конструкция конденсатора с расчетной площадью от 1 до 5 мм2
Емкость тонкопленочных конденсаторов определяется площадью перекрытия его обкладок (активной площадью или плошадыо верх-1 ней обкладки). На рис. 3.18 приведена конструкция конденсатора
°ощадью верхней обкладки более 5 мм2. Так как верхние обклад-'Ьормируют масочным методом, то для устранения погрешности Тещения маски в месте вывода верхней обкладки с противопо-иой стороны от вывода делают компенсатор. При значительной '*ш,ади верхней обкладки эта погрешность мала и компенсатор шен. При активной площади пленочного конденсатора менее -э' ’ - начинает оказываться краевой эффект, причем тем сильнее, - эньше площадь. При активной площади от 1 до 5 мм2 обклад-щенсатора можно выполнять в виде двух взаимно пересекаю-КЧГ т полосок (рис. 3.19). Если расчетная площадь конденсатора ие 1 мм2, конденсатор можно выполнять в виде последователь-• соединенных конденсаторов (рис. 3.20). Если расчетная площадь
Рис. 3.21. Конструкция конденсатора, состоящего из двух последовательно соединенных конденсаторов, использующих в качестве диэлектрика подложку
'iC. 3.20. Конструкция конденсатора расчетной площадью менее 1 мм2 в иде двух последовательно соединенных конденсаторов
шком мала и не позволяет конструировать конденсатор приемле->. размеров, можно использовать в .качестве диэлектрика подложку (рис. 3.21), которая должна быть пригодна для напыления -бкладок с обеих сторон. Можно конструировать также гребенчатый конденсатор (рис. 3.22). Емкость такого конденсатора почти целиком определяется емкостью, обусловленной краевым эффектом.
Потери в обкладках зависят от расположения выводов нижней и верхней обкладок по отношению друг к другу. На рис. 3.23 приветны конструкции конденсаторов с одно- и двусторонним располо
Рис. 3.22. Конструкция гребенчатого конденсатора
a) S)
Рис. 3.23. Конструкция конденсатора с двусторонним, (а) и односторонним (б) расположением выводов верхней и нижней обкладок
жением выводов. Предпочтительнее второй вариант, так как на частотах выше 10 МГц емкость конденсатора с ростом частоты падает тленнее при двустороннем (рис. 3.23, а), чем при одностороннем \Рис. 3.23, б) расположении выводов.
Минимальная толщина диэлектрического слоя ограничена требованием получения сплошной'пленки без сквозных отверстий и с за
данной электрической прочностью, а максимальная толщина ограничена механическими напряжениями в растущей пленке. Толщину диэлектрика определяют по формуле
dm\n ^^Wpas/^np, (3.27)
где /<3 — коэффициент запаса электрической прочности (для пленочных конденсаторов Л'3 = 2-ьЗ); t7pao — рабочее напряжение, В; £пр— электрическая прочность материала диэлектрика, В/мм.
Суммарную относительную погрешность емкости конденсатора определяют по формуле
Ус = Ус0 + YS + Ус{ + YcCT, (3.2С
I где Yc0—относительная погрешность удельной емкости, характеризующая воспроизводимость удельной емкости в условиях данного производства (зависит от материала и погрешности толщины диэлектрика и составляет 3—5%); ys— относительная погрешность активной площади пленочного конденсатора (зависит от точности геометрических размеров, формы и площади верхних обкладок конденсатора): усу—относительная температурная погрешность (зависит в основном от ТКС материала диэлектрика); Ycct —относительная погрешность, обусловленная старением пленок конденсатора (зависит от материала и метода защиты и обычно не превышает 2—3%).
Относительная температурная погрешность
Vc,==«c(rroax —20°С), (3,29)
где ас — ТКС материала диэлектрика, определяемый по табл. 3.6. Относительная погрешность активной площади конденсатора
__ Д5 \LB -f- \BL
Ys = —~=----------, (3.30)
О Ld
где AS, АЛ, АВ — соотвётственно погрешности площади, длины и ширины верхней обкладки.
Относительная погрешность активной площади конденсатора (площади перекрытия обкладок) минимальна, если обкладки име-Ют форму квадрата. Отклонение контура верхней обкладки от квадрата сопровождается увеличением ys.
Для учета этих отклонений используют коэффициент формы обкладок
Кф=Д/В. (3.31)
Тогда относительную погрешность активной площади конденсатора при АЛ = АВ можно определить по формуле
= (3.32)
К Кф5
Для обеспечения заданной точности емкости при изготовлении конденсатора необходимо, чтобы выполнялось условие
ддД + ^1.^, (3.33)
/КфЗ ло,‘
где Ysaoh — максимально допустимая относительная погрешность активной площади, которая может быть определена как
Ystol=Yc-Yco-Ycz-YcCi.. (3.34)
Из выражения (3.33) следует, что при выбранно,м из тополопн ческих соображений значении коэффициента формы площадь верхней обкладки
\2 (1 +ЛД)2
YC(on /
(3.35)
Если равенство выполняется, то получаем удельной емкости:
z-t - __/"> / \ _____^~Ф____
Ото"’,— \ J (1+Кф)2
выраженпе для
(3.36)
В частном случае, когда Лф>=1 (для обкладок квадратной формы), приведенные выражения упрощаются:
2ДЛ/|/5<у5лт, (3.37)
s>W’sj, (3.38)
Соточн —С 1^5дО1/(2ДС)]2. (3.39)
Порядок расчета
1. Выбирают материал диэлектрика по рабочему напряжению в соответствии с данными, приведенными в табл. 3.5. Чтобы конденсатор занимал как можно меньшую площадь, нужно выбирать материал с возможно более высокими диэлектрической проницаемостью, электрической прочностью, а также малыми значениями ТКС и tg б.
Приведенное в габл. 3.5 значение удельной емкости Со соответствует определенной толщине диэлектрика без учета точности изготовления конденсатора.
2. Определяют минимальную толщину диэлектрика из условия электрической прочности (3.27). Толщина должна быть в пределах 0,1 — 1 мкм, в противном случае следует выбрать другой материал диэлектрика. При толщине диэлектрика менее 0,1 мкм в нем возможны поры, что может привести к короткому замыканию обкладок. При толщине диэлектрика более 1 М'КМ возможен разрыв верхней обкладки в месте вывода из-за большой ступеньки по толщине пленки. Оптимальная толщина диэлектрика 0,3—0,5 мкм.
3. Определяют удельную емкость конденсатора (пФ/см2), исходя из условия электрической прочности:
Сои = О,О885г/</. (3.40)
Здесь d в см.
4. Оценивают по (3.29) относительную температурную погрешность.
5. Определяют по (3.34) допустимую погрешность активной площади конденсатора. Если уядоп^О, то это означает, что изготовление конденсатора с заданной точностью невозможно, нужно выбрать другой материал диэлектрика с меньшей температурной погрешностью. Уменьшить погрешность старенья можно за счет дополнительной защиты микросхемы от влаги.
6. Определяют удельную емкость конденсатора с учетом точности его изготовления по (3.36), для обкладок квадратной формы — по (3.39); погрешность длины ДЕ находят по табл. 3.15 для масочного метода.
7. Выбирают минимальное значение удельной емкости конденсатора, учитывая электрическую прочность и точность изготовления:
Со <min {Cov, С0гочн). (3.41)
8. Определяют коэффициент, учитывающий краевой эффект:
1; С/Со>5 мм2,
I 1,3 — О,О6С/Со; 1<С/С0<5 мм2.
9. Определяют площадь верхней обкладки:
S=C/C0/<. (3.43)
Если площадь перекрытия обкладок меньше 1 мм2, необходимо взять другой диэлектрик с меньшим значением е, или увеличить толщину диэлектрика е в возможных пределах, или конструировать конденсатор специальной формы (см. рис. 3.20—3.22).
Если площадь перекрытия обкладок больше 200 мм2, требуется взять другой диэлектрик с большим значением 8, либо уменьшить толщину диэлектрика d в возможных пределах, либо использовать в ГИС навесной конденсатор, удовлетворяющий исходным данным.
10. Определяют размеры верхней обкладки конденсатора. Для обкладок квадрат ной формы (/<ф= 1)
= (3.44)
Размеры L и В округляют до значения, кратного шагу координатной сетки с учетом масштаба топологического чертежа.
11. Определяют размеры нижней обкладки конденсатора с учетом допусков на перекрытие (см. рис. 3.18, табл. 3.15):
Ен = Дн=£+2<7, (3.45)
где q — размер перекрытия нижней и верхней обкладок конденсатора (см. табл. 3.15).
12. Вычисляют размеры диэлектрика:
(3.46) где f—размер перекрытия нижней обкладки и диэлектрика (см. табл. 3.15). По танталовой технологии диэлектрик получают анодп-— рованием Та, поэтому 1 = 0.
13. Определяют площадь, занимаемую конденсатором:
(3.47)
Сначала проектируют обкладки конденсатора квадратной формы, а при отсутствии места на чертеже топологии для расположения квадрата задаются одной из сторон конденсатора, коэффициентом формы обкладок и вычисляют размеры обкладок прямоугольной фермы.
Для проверки емкости в процессе или после изготовления микросхемы конденсатор необходимо снабдить специальными контактными площадками.
Если конденсатор шунтируется резистором и при этом полное сопротивление параллельного соединения замерить невозможно, то при проектировании топологии указанные элементы рекомендуется выполнять незашуптировапными. В этом случае окончательное соединение производится навесным проводником после необходимых измерений.
14. Осуществляют проверку расчета.
Конденсатор спроектирован правильно, если:
а) рабочий тангенс угла диэлектрических потерь не превышает заданного:
tgSpa6 <tg§. (3.48)
Если пренебречь сопротивлением выводов обкладок, то рабочий тангенс угла можно представить в виде суммы тангенсов углов потерь в диэлектрике tg6aTOn и в обкладках tg606'-
tg §раб tg 8ДИЭЛ -f- tg Bog. (3.49)
Значение tg 5д11ЭЛ определяют по табл. 3.5 для выбранного материала диэлектрика.
Тангенс угла потерь в обкладках находят по формуле
tg8O6~4w/?<*C’ (3.50)
где /?об — сопротивление обкладок конденсатора, Ом; С — емкость конденсатора, Ф; о — угловая частота; w = 2nfmax (fmax— частота, Гц).
Сопротивление обкладок конденсатора зависит от его формы:
^об — Р$обАГф, (3.51)
где psоб — удельное поверхностное сопротивление материала обкладок (определяют по табл. 3.5);
б) рабочая напряженность электрического поля Ефаб не превышает Ещ> материала диэлектрика:
^рао < ^НР, (3.52)
где
^раб = ^рабЛ/, (3.53)
г/ = О,О885е/Со, см; (3.54)
в) погрешность активной площади конденсатора не превышает допустимую:
(3-55>
где увраб определяют по (3.32), а увдоп — но (3.34).
Если один пз п. а), б) пли в) не выполняется, необходимо выбрать другой материал диэлектрика или изменить конструкцию конденсатора.
Если в схеме имеется несколько конденсаторов, то для изготовления их в едином технологическом цикле целесообразно выбирать для всех конденсаторов один п тот же диэлектрик с одинаковой толщиной, а следовательно, одинаковой удельной емкостью Со. В противном случае для напыления пленки диэлектрика конденсаторов понадобятся различные маски, а возможно, и напылительные установки, что значительно усложнит технологический процесс.
Для нескольких конденсаторов па одной подложке расчет начинают с конденсатора, имеющего наименьший номинал емкости. После выбора материала и вычислений по формулам (3.27), (3.34), (3.36), (3.39), (3.40) определяют значение удельной емкости, при котором конденсатор будет занимать минимальную площадь на подложке:
G)inln = ^'inln/'S'mln- (3.56)
Окончательный выбор Со производят по формуле
Су <pnin {Coming Cqiz, Cq I041I|. (3.57)
Вычисляют толщину диэлектрика, соответствующую удельной емкости Со по (3.54). Если толщина диэлектрика не выходит за пределы возможностей тонкопленочной технологии (0,1 — 1 мкм), то продолжают дальнейший расчет, если нет — выбирают другой материал.
Пример расчета конденсаторов
Определить геометрические размеры и минимальную площадь двух конденсаторов на одной подложке, изготовленных в едином технологическом цикле, при следующих исходных данных: емкость конденсаторов Ct== 100 пФ, С2 — = 2500 пФ; допустимое отклонение емкости от номинала \с= 15%; рабочее иа-пряж^ие. UPao= 15 В; диапазон температур = —604-125° С; тангенс угла диэлектрических потерь па рабочей частоте tg 6 = 0,03; максимальная рабочая частота /тах=400 кГц; погрешность воспроизведения удельной емкости \с0 = 5%; погрешность старения у с = 1 % •
По табл. 3.5 с учетом изложенных рекомендаций выбираем материал диэлектрика для обоих конденсаторов — моноокись кремния. Его параметры: е = 5; tg 6 = 0,01; Епр = 2- 10е В/см; ТКС = 2-10~4 1/°С. Минимальную толщину диэлектрика rfmin и удельную емкость Cov для обеспечения необходимой электрической прочности находим по (3.27) и (3.40):
rfniIt»= (3-15)/(2.1 Я = 0,225-1 )~4 см,
5 „пФ пФ
Сог = 0,088а ———- = 0,197.1 -----------= 197----—.
0,22а-10 4 см2 мм2
Температурная погрешность емкости в соответствии с (3.29) ус; = 2-10-4Х Х(125—20) -100 = 2,1 %, а допустимая погрешность активной площади конденсатора согласно (3.34) ysion=15—5—I—2,1=6,9%.
Минимальную удельную емкость для обеспечения точности изготовления наименьшего по номиналу конденсатора определяем по (3.39):
_ ( 0,069 \2 пФ
с°точн= 19Д2^5т) ""w7,
а А/. = 0,01 мм (см. табл. 3.15).
Определяем, какова должна быть .удельная емкость наименьшего по номиналу конденсатора с учетом технологических возможностей изготовления по площади перекрытия обкладок и толщине диэлектрика. Задаемся 3 min — 1 ММ2. Тогда по (3.56)
СОт1п = 103/1 = 133 пФ/мм2.
Таким образом, получены три значения удельной емкости:
Со1/ = 197 пФ/мм2; СотоЧН = 1193 пФ/мм2; COinin= 133 пФ/мм2,
Окончательно выбираем Со=Ю0 пФ/мм2.
Определяем, какая толщина диэлектрика соответствует выбранной удельной емкости Со по (3.54): d = 0,0885 -5/(100 • 102) =0,44-10~4 см, что вполне приемлемо для тонкопленочной технологии.
Далее проводим расчет геометрических размеров конденсаторов по формулам (3.42) — (3.47).
Расчет конденсатора Ct
Отношение CJC0= 100/100= 1 мм2. Коэффициент, учитывающий краевой эффект, /<= 1,3—0,06-1 = 1,24. Площадь перекрытия обкладок Si= 1-1,24 = = 1,24 мм2; форма обкладок — перекрещивающиеся полоски (см. рис. 3.19) квадратной формы (Лф= 1); размеры обкладок Li = Bl= У 1,24= 1,11 мм; Lai — = ВП1 = 1,11 мм, Сд1 = Вд| = 1,114-2-0,1 = 1,31 мм; площадь конденсатора по диэлектрику Зд1= 1,72 мм2.
Проверку расчета производим по формулам (3.48) — (3.55), (3.34):
2
tg 80бКл1 = V -2л-403 -1 33 - 0,2-133-10-И = 0,30003; и
tg Вдиэл! = 0,02 (по табл. 3.5),
tg Врабг = 0,02 + 0,03033 <6,03;
£раб1= 15/(0,44-10-4) = 0,34.106 В/см<2-10б В/см;
¥5Раб1 = 0,01-2/V 1,24 = 1,8% <6,9%.
Расчет конденсатора С2
Расчет конденсатора С2 проводят аналогично.
Отношение С2/С’0=2500/100=25 мм2. Коэффициент, учитывающий краевой эффект, «=1. Площадь перекрытия обкладок S2 = 25 мм2; форма обкладок при-5*—449 133
ведена на рис. 3.18; размеры обкладок конденсатора квадратной формы (Кф = = 1): /.2==52=Г 25 = 5 мм, Z.h2==j^h2==5-|-2*0,2 = 5,4 мм, Ад2=5д2 = 5,4-|-2Х ХО,1=5,6 мм; площадь конденсатора по диэлектрику 5д2 = 5,62 = 31,36 мм2.
Проверка расчета:
2 tgB06o2=-------2Л-400- 103-0.2-25ЭЭ-10—12 = 1,88-10-3,
3
tg браб2 = 0,02 + 0,00188 < 0,03;
£раб2 = 15/(0,44-10—4) = 0,34- 1Q6 < 2-106 Б/см,
YSРа62 = 0,01 • 2//25 = 0,4 % < 6,9 %.
Проверки показывают, что конденсаторы не выходят за пределы точности, имеют запас по электрической прочности и тангенс угла диэлектрических потерь меньше заданного.
§ 3.7. Разработка топологии тонкопленочных ГИС
Разработку топологии рекомендуется проводить в такой последовательности: составление схемы соединения элементов на плате; расчет конструкций пленочных элементов; определение необходимой площади платы и согласование с типоразмерохм корпуса, выбранного для ГИС; разработка эскиза топологии; оценка качества разработанной топологии и при необходимости ее корректировка.
Для составления схемы соединений на принципиальной электрической схеме выделяют пленочные элементы и навесные компоненты, намечают порядок их расположения и проводят упрощение схемы соединений с целью уменьшения числа пересечений проводников и сокращения их длины.
Производят выбор материалов и расчет геометрических размеров пленочных элементов. Затем приступают к определению необходимой площади платы. Из технологических соображений элементы микросхемы располагают на некотором расстоянии от ее края (см. табл. 3.15). Промежутки между элементами определяются технологическими ограничениями и условиями теплоотвода.
Ориентировочную площадь платы определяют по формуле
S=/< (^+^с + ^2к + ^н.к), (3.58)
где /(— коэффициент запаса по площади, определяемый количеством элементов в схеме, их типом и сложностью связей между ними (для ориентировочных расчетов можно принимать Л' = 2ч-3); Ssr, Ssc, SSK—площади, занимаемые всеми резисторами, конденсаторами, контактными площадками; 5хп.к — суммарная площадь навесных компонентов, которые не могут быть расположены над пленочными элементами и занимают площадь на плате.
После вычисления ориентировочной площади платы выбирают ее типоразмер согласно табл. 3.3. Одновременно выбирают способ
зашиты ГИС (см. § 5.2) и в случае использования корпусов — типоразмер корпуса. Рекомендуемые размеры плат: 20x24, 20X 16, 15X 16, 15x8 мм и т. д.
Далее приступают к разработке эскиза топологии. На этом этапе решают задачу оптимального размещения на плате пленочных элементов, навесных компонентов и соединений между ними, а также между внешними контактными площадками на плате и выводами корпуса.
Для разработки эскизных топологических чертежей необходимо знать: ,схему_электрическую принципиальную и схему соединения элементов; форму и геометрические размеры пленочных элементов и навесных компонентов; ориентировочные размеры и материал платы, предварительно выбранный метод индивидуальной герметизации, вид и размеры корпуса или метод установки платы в блоке при групповой герметизации; возможности производственной базы, предназначенной для изготовления разрабатываемой ГИС.
Начальный этап разработки топологии состоит в изготовлении эскизных чертежей, выполненных на миллиметровой бумаге в масштабе 10: 1 или 20: 1. Масштаб выбирают, исходя из удобства работы, наглядности и точности. Эскизный чертеж варианта топологии ГИС выполняют совмещенным для всех слоев.
Навесные компоненты изображают с соблюдением порядка расположения выводов. Грани навесных компонентов располагают вдоль осей координатной сетки. Если используются навесные компоненты с жесткими выводами, то в чертеже топологии выполняют контактные площадки (см. рис. 3.1, 2.2), которые соответствуют их цоколевке и имеют размеры, указанные в табл. 3.15. Если выводы навесных компонентов гибкие, то на чертеж выносят их изображение согласно рис. 3.3, 3.5, 3.6, 3.9, 3.11.
Одновременно с размещением элементов и компонентов проводят линии электрической связи (проводники). Для экономии времени на начальной стадии проводники предварительно слегка намечают карандашом в одну линию по оси проводника. Расстояние между параллельными линиями, изображающими проводники, берут с учетом ширины проводников и расстояний между ними. Линии проводят параллельно осям координат. При вычерчивании необходимо следить за тем, чтобы пленочные проводники отличались от проволочных выводов навесных компонентов, навесных перемычек, места соединения их обозначают контактными площадками. Следует избегать пересечения с начерченными ранее проводниками. После того как выполнена коммутационная схема и обеспечены минимальные длины проводников, а также минимальное число пересечений, проводники изображают в две линии.
Элементы ГИС, принадлежащие разным слоям, в первом эскизе рекомендуется изображать разными цветами.
При создании чертежа топологии необходимо обращать внимание на использование наиболее простых форм элементов, равномерность размещения элементов на плате, обеспечение удобств при вы-
полпенни сборочных операций, увеличение размеров контактных площадок, расширение допусков на совмещение слоев и т. д.
При вычерчивании элементов следует экономно использовать площадь, что достигается выбором соответствующей конфигурации (если это допускается) размещаемых пленочных элементов.
При разработке топологии нужно учитывать обеспечение возможности измерений электрических параметров пленочных элементов (резисторов, конденсаторов и т. д.). Если структура электрической схемы не позволяет этого сделать (например, параллельное соединение конденсатора и резистора), методика проверки узлов и требования к топологии, связанные с этой проверкой, должны быть определены до начала разработки топологии.
При разработке топологии необходимо обеспечить возможность выполнения требований к монтажу применяемых навесных компонентов, а также требования к сборке и защите микросхемы.
При проработке первого варианта топологии обычно не удается получить приемлемую конфигурацию слоев. Работа над следующими вариантами топологии сводится к устранению недостатков первого варианта для того, чтобы чертеж отвечал всем конструктивно-технологическим требованиям и ограничениям, изложенным в табл. 3.15.
При масочном методе изготовления после окончательного размещения элементов рекомендуется произвести раскраску слоев в различные цвета, чтобы оценить возможность изготовления масок. Маски не должны содержать провисающих участков. В случае сложной конфигурации маски проводят распределение проводников на два слоя или часть проводников переносят в слой нижних обкладок конденсаторов, если это не нарушает жесткости маски для формирования нижних обкладок.
После того как окончательно выбран вариант топологии, приступают к изготовлению чертежей слоев микросхемы по элементам (резисторы, проводники и контактные площадки, нижние обкладки конденсаторов, диэлектрики и т. д.). Эти чертежи — основа для изготовления комплекта фотошаблонов и масок.
Способ и последовательность работы по размещению и выбору формы пленочных элементов могут быть различными: эта работа во многом определяется опытом разработчика и носит индивидуальный характер. Для нахождения оптимального варианта размещения элементов на плате в настоящее время используют методы проектирования топологии с помощью ЭВМ.
Оценка качества разработки топологии ГИС. Разработанная топология должна: соответствовать принципиальной электрической схеме; удовлетворять всем предъявленным конструктивным требованиям; быть составлена таким образом, чтобы для изготовления микросхемы требовалась наиболее простая и дешевая технология; обеспечить заданный тепловой режимы и возможность проверки элементов в процессе изготовления. Емкостные и индуктивные связи не должны нарушать нормальную работу схемы при заданных условиях эксплуатации.
При проверке правильности разработки топологии ГИС принимают такой порядок. Проверяют соответствие принципиальной электрической схеме; внешних контактных площадок — выводам корпуса; конструктивно-технологическим требованиям и ограничениям согласно табл. 3.15; расчетным значениям длины, ширины и коэффициента формы резисторов и в случае необходимости производят корректировку размеров резисторов. Проверяют наличие в схеме пересечения пленочных проводников и защиту их диэлектриком, возможность контроля элементов, обеспечение нормального функционирования микросхемы при заданных условиях эксплуатации. При необходимости проводят оценку емкостных и индуктивных связей.
Глава 4
КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫХ ГИС
§ 4.1. Платы толстопленочных ГИС
Платы толстопленочиых ГИС должны быть дешевыми, иметь высокие механическую прочность, теплопроводность, термостойкость и химическую стойкость.
Наиболее подходящими материалами для плат толстопленочных ГИС являются высокоглиноземпстая керамика 22ХС, поликор и керамика на основе окиси бериллия, электрофизические параметры которых приведены в табл. 3.1.
Высокая механическая прочность керамики позволяет исполь- • зовать плату в качестве детали корпуса с отверстиями, пазами, а высокая теплопроводность дает возможность изготовлять мощные микросхемы.
Самую высокую теплопроводность имеет бериллиевая керамика, но в массовом производстве ее не используют из-за высокой токсичности окиси бериллия. Керамику типа «поликор» применяют для создания многослойных толстопленочных БИС.
В условиях массового производства используют платы из керамики 22ХС, изготовляемые прессованием порошков или методом шликерного литья с последующим обжигом при температуре 1650° С.
Точность изготовления пассивной части микросхемы в значительной мере зависит от плоскостности и шероховатости платы. Максимальная кривизна поверхности (макронеровность) не должна превышать 4 мкм на 1 мм. Шероховатость (мпкронеровность) рабочей поверхности платы должна быть не ниже 8-го класса (высота неровностей 0,32—0,63 мкм). Более высокая чистота обработки поверхности платы не нужна, так как адгезия толстых пленок к шероховатой поверхности лучше, а влияние мпкронеровностей мало сказывается на свойствах пленок толщиной 10—70 мкм.
Размеры плат определяются конкретной конструкцией корпусов (см. § 5.2). Л1аксимальные размеры плат 60X48 мм. Платы больших размеров не применяют из-за ухудшения параметров пленочных элементов вследствие коробления плат при вжигании пленок. Толщина плат 0,6—1 мм.
§ 4.2. Пасты для толстопленочных ГИС
Нанесение материала толстых пленок, в состав которых, как правило, входят металл, окисел металла и стекло, на плату осуществляют продавливанием через сетчатый трафарет, имеющий закрытые и открытые участки (рис. 4.1). Для трафаретной печати материал толстых пленок должен иметь консистенцию пласты. Пасты подразделяют на проводящие (для проводников, контактных площа-
Рис. 4.2. Зависимость ps паст от концентрации металлических порошков в стеклянной фритте
Рис. 4.1. Схема процесса трафаретной печати бесконтактным способом:
/ — ракель; 2—паста: 3 — трафарет; 4 — плата; 5 — отпечаток пасты
док и обкладок конденсаторов), резистивные и диэлектрические (для конденсаторов, изоляционных и защитных слоев).
В'состав паст входят основные материалы, придающие, пленкам необходимые для их функционирования физические свойства и вспомогательные материалы, придающие пастам основные технологические и физико-химические свойства. В качестве основных материалов в проводящие и резистивные пасты входят металлы Ag, Au, Pt, Pd, In, Os, Ro, сплавы Pt—Au, Pd—Ag, Pd—Au, многокомпонентные системы Pd—PdO—Ag.
С целью экономии драгоценных металлов для формирования резисторов применяют сплавы Ag—Ru, Bi—Ru, Ru—Ir и пасты на основе рутения.
Зависимость удельного поверхностного сопротивления от концентрации металлических порошков в пасте представлена на рис. 4 .^'.’"Основным материалом для диэлектрической пасты служит размельченная керамика с высокой диэлектрической проницаемостью и низким tg6, например керамика на основе BaTiO3. Для меж
слойной изоляции используют кристаллизующиеся стекла с малым значением диэлектрической проницаемости. Для хорошего сцепления пленки с платой и связывания частиц основного материала между собой в состав паст вводят порошок стекла (чаще всего вис-мутоборосиликатные стекла). Для придания пасте необходимых вязкости и поверхностного натяжения, позволяющих ей легко проникать через трафареты и, не растекаясь, закрепляться на плате, вводят дополнительные органические вещества и растворители. В состав паст входит примерно 2/з основного вещества и стекла и 1/3 органических добавок. Характеристики проводящих, резистивных и диэлектрических паст приведены в табл. 4.1—4.3, а параметры пассивных элементов толстопленочных ГИС — в табл. 4.4.
Характеристики проводящих паст (ПП)
Таблица 4.1
Обозначение пасты Толщина слоя, мкм Удельное поверхностное сопротивление Р5, Ом/D, не более Область применения
ПП-1 10—20 0,05 Для изготовления проводников, нижних обкладок конденсаторов и контактных площадок первого слоя с размерами сторон элементов не менее 0,2 мм
ПП-2 15—20 5,0 Для изготовления верхних обкладок конденсаторов, не смачиваемых припоем при лужении
ПП-3 15—25 0,05 Для изготовления проводников, нижних обкладок конденсаторов и контактных площадок под монтаж навесных компонентов с жесткими выводами
ПП-4 15—25 0,05 Для изготовления проводящих элементов, наносимых на слой диэлектрика
Таблица 4.2
Удельное поверхностное сопротивление ps резистивных паст (ПР)
Обозначение пасты ПР-5 ПР-100 ПР-500 ПР-1к ПР-Зк ПР-6к ПР-20к ПР-50к ПР-ЮОк
Удельное поверхностное сопротивление ps, Ом/П 5 100 500 1000 3030 ,6003 20 003 53 030 100 033
Т а б л и ц а 4.3
Характеристики паст для диэлектрика конденсаторов (ПК) и межслойного диэлектрика (ПД)
Обозначение пагты Толщина пленки. МКЛ( Удельная емкость Со. пФ/см1 Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 1,5 МГц tg5 Х10“з Область применения
ПК 1000-30 43—6) 373) 3,5 Для диэлектрика конденсаторов, изоляции пересекающихся проводников
ПК12 43—6) 1)0)3 3,5 Для диэлектрика конденсаторов
пд-1 6)—7) 16) 2 Для межслойной изоляции при двух уровнях пленочных элементов
ПД-2 53-6) 22) 3 Для межслойной изоляции при трех (и более) уровнях пленочных элементов
пд-з 33—5) — 2 Для верхнего защитного слоя при использовании пасты ПД-1
ПД-4 33—53 -— 3 Для верхнего защитного слоя при использовании пасты ПД-2
Таблица 4.4
Основные параметры пассивных элементов толстопленочных ГИС
Параметры Элементы
резисторы конденсаторы межслойная изоляция
Толщина пленки, мкм 15—2) 43—6) 3)—7)
Минимальный размер Ixb, мм 0,8X0,8 (диэлектрик) 1X1 ——
Диапазон номиналов 25 Ом— 5)—25)3 пф —
Допустимое отклонение от номина- 1МОм ±2* ±15 —
ла, % Температурный коэффициент со- ±8- 1Э~4 — —
противления ТКД, 1/°С, при Т = = —60-4-125° С Максимальная допустимая удель- 3)—8) — —
ная мощность рассеяния Ро, мВт/мм2 Температурный коэффициент ем- — ±3,5-13“4 3 • 13-4
кости ТКС, 1/°С, при Т=—604-4-85° С Напряжение пробоя СпрОб, В — 15) 5))
После лазерной подгонки.
§ 4.3. Основные технологические операции изготовления толстопленочных ГИС
Нанесение паст. Нанесение паст можно производить двумя способами: бесконтактным и контактным.
При бесконтактном способе подложку, на которую нужно нанести пасту, устанавливают под сетчатым трафаретом с некоторым зазором; пасту подают поверх трафарета и передвижением ракеля через отверстия в трафарете переносят на подложку в виде столбиков, копирующих отверстия в сетке (см. рис. 4.1). Растекаясь, столбики соединяются, образуя такой же рисунок, как на трафарете. Сетчатые трафареты изготовляют из капрона, нейлона или нержавеющей стали.
Качество трафаретной печати зависит от скорости перемещения и давления ракеля, зазора между сетчатым трафаретом и платой, натяжения трафарета и свойств пасты. Необходимо строго соблюдать параллельность платы, трафарета и направления движения
ракеля.
Для устранения неравномерности толщины резисторов рекомендуется составлять топологию так, чтобы все резисторы располагались по длине в одном направлении по движению ракеля. По этой же причине не рекомендуется проектировать длинные и узкие, а
Рис. 4.3. Влияние ширины и длины резистора на толщину отпечатка (при /i</2, /ii>At2)
также короткие и широкие резисторы.
Из рис. 4.3 видно, что при использовании одной и же пасты короткие резисторы имеют большую толщину пленки, а следовательно, меньшее значение ps, чем длинные, из-за разных прогибов открытых участков сетчатого трафарета.
При контактном способе трафаретной печати плату устанавливают под трафаретом без зазора. Отделение платы от трафарета осуществляют вертикальным перемещением без скольжения во избежание размазывания отпечатка пасты. При контакт
ном способе пасту можно наносить пульверизацией с помощью распылителя. Точность отпечатка при контактном способе выше, чем при бесконтактном.
Термообработка паст. Пасты после нанесения подвергают термообработке— сушке и вжиганию. Сушка необходима для удаления из пасты летучих компонентов (растворителя). Сушку проводят при температуре 80—150° С в течение 10—15 мин в установках с инфракрасным (И1\) нагревом. ИК-излучение проникает в глубь слоя пасты на всю его толщину, обеспечивая равномерную сушку без образования корочки на поверхности.
Вжигание производят в печах конвейерного типа непрерывного действия с постепенным повышением температуры до максимальной, выдержкой при ней и последующим охлаждением. Ряд печей
содержит приставки ИК-сушки, что позволяет объединить эти операции.
Вначале при термообработке происходит выгорание органической связи (температура 300—400° С, при этом скорость нагрева во избежание образования пузырьков не должна превышать 20 град/мин). Во второй, центральной температурной зоне конвейерной печи происходит сплавление частиц основных материалов между собой с образованием 'проводящих мостиков и спекание их со стеклом и керамической! платой при температуре 500—1000° С. На выходе из печи платы охлаждают с небольшой скоростью во избежание их растрескивания и отслаивания пленок от плат.
Перед первым нанесением паст платы подвергают очистке и термическому отжигу при температуре 600—620° С. Пасты для соз-дания^проводящих слоев вжигают при температуре 750—800° С, пасты диэлектрика конденсаторов и изоляционный слой — при п700—750° С,^верхние обкладки конденсаторов — при 700—720° С, ' диэлектрик 'защитного слоя — при 620—650° С, резисторы — при 51600—650° С. Для исключения появления сквозных пор в диэлектрике конденсаторов его наносят в два слоя, причем каждый слой сушат и вжигают отдельно.
Если одна и та же паста наносится на обе стороны платы, то возможны раздельное нанесение и вжигание пасты с ^каждой стороны, а также нанесение и сушка пасты с одной стороны, нанесение, сушка и вжигание пасты с другой стороны при одновременном вжигании ранее нанесенной пасты.
Последовательность технологических операций нанесения и термообработки паст при производстве толстопленочной ГИС следует выбирать такой, чтобы каждая последующая операция имела более низкую температуру вжигания по сравнению с предыдущей. Последними наносят и вжигают резистивные пасты. Возможны такие варианты:
1) для схем с однослойной разводкой, содержащих проводники, конденсаторы, и резисторы, — формирование проводников, контактных площадок и нижних обкладок конденсаторов; формирование слоя диэлектрика; формирование верхних обкладок конденсаторов; формирование резисторов;
2) для схем с двухслойной разводкой, содержащих проводники и резисторы, — формирование проводников; нанесение межслойной изоляции с отверстиями для контактных переходов; формирование второго слоя проводников; формирование резисторов;
3) для схем с трехслойной разводкой, содержащих проводники и резисторы, — формирование проводников, шин питания и внешних контактных площадок, нанесение диэлектрика межслойной изоляции с окнами для контактов; формирование второго слоя проводников и контактов к первому слою; нанесение еще одного слоя изоляции; формирование верхнего слоя проводников; формирование защитного диэлектрика; формирование резистивных слоев.
Последовательность нанесения слоев указана для одной стороны
платы, при использовании второй стороны эта последовательность сохраняется.
Защита толстопленочных ГИС. Ее осуществляют глазурованием поверхности сформированной пленочной структуры стеклами с низкой температурой размягчения, не превышающей 500° С во избежание изменения параметров резисторов. Толщина защитного диэлектрического слоя 30—60 мкм, сопротивление изоляции более 1012 Ом при постоянном напряжении 100 В.
Если толстопленочная ГИС устанавливается в корпус, то защиту с использованием глазурования, как правило, не производят.
Сборка. После нанесения и вжигания всех слоев пассивной части схемы производят подгонку пленочных элементов, монтаж навесных компонентов, армирование (установку выводов) и герметизацию.
Рис. 4.4. Армирование плат выводами и контактными переходами: а —установка вывода; б — расклепывание; в —обрезание вывода для образования контактного перехода; г — вывод и контактный переход после облу-жнвания
Для осуществления контроля в процессе подгонки контактные площадки элементов должны быть облужены. Армирование можно производить до и после подгонки. Выводы и контактные переходы в виде проволочек (рис. 4.4, а—а) устанавливают перед подгонкойг
а рамочные выводы, соединенные между собой на общей рамде,--
на заключительном этапе сборни перед герметизацией. После герметизации рам ку обрубают и выводы разъединяют.
Подгонка резисторов. В условиях массового производства отклонение от номи налов сопротивлений резисторов може1 достигать 50%, поэтому необходимо производить их подгонку. Подгонка толстопленочных резисторов и конденсаторов
Рис. 4.5. Толстопленочный резистор после лазерной подгонки:
принципиально не отличается ОТ ТОНКО-' а~с участками грубой и точ-г ной подгонки; о —с подгонкой
пленочных и производится изменением под углом
конфигурации элементов или отжигом.
Используется лазерная подгонка удалением части резистивной пленки. Точность изготовления резисторов с подгонкой в условиях массового производства около 2%.
Сначала производят грубую подгонку выжиганием пленки по
перек резистора, затем точную — вдоль резистора (рис. 4.5, а). Вы-
жигание резистивной пленки под углом (рис. 4.5, б) позволяет совместить грубую и точную подгонку.
Если при лазерной подгонке сопротивление резистора только увеличивается за счет уменьшения его ширины, то отжиг нагревом до температуры 400—500°С позволяет изменить сопротивление в обе стороны, поскольку при этом меняются свойства резистивных пленок.
Подгонка конденсаторов. Для толстопленочных конденсаторов используют воздушно-абразивную подгонку удалением части верх-
Рис. 4.6. Структурная схема технологического процесса изготовления толстопленочных ГИС
ней обкладки абразивом. Это сложная малопроизводительная операция, при осуществлении которой возможно повреждение диэлектрика и нижней обкладки, что снижает выход годных схем.
В толстопленочных ГИС широко применяют навесные малогабаритные конденсаторы. ЛГонтаж навесных компонентов производят теми же методами, что и для тонкопленочных ГИС (см. § 3.4).
Толстопленочные ГИС герметизируют в металлополимерные, металлокерамические, керамические и пластмассовые корпусы или заливкой стеклоэмалью.
На рис. 4.6 приведена общая структурная схема технологического процесса изготовления толстопленочных ГИС. Вариант 1 используют для схем с проволочными выводами, герметизируемых в металлополимерные корпусы, а вариант 2 — для схем с рамочными выводами, герметизируемых в керамические, металлокерамические и пластмассовые корпусы.
Последовательность операций изготовления толстопленочной ГИС, содержащей резисторы, навесные и пленочные конденсаторы, проводники и пересечения, активные компоненты с жесткими выводами, армированной рамочными выводами, с герметизацией опрессовкой представлена на рис. 4.7.
Рис. 4.7. Последовательность операций изготовления толстопленочной ГИС
После очистки и отжига платы на нее наносят и вжигают поочередно с обеих сторон проводящую пасту для формирования проводников, контактных площадок и нижних обкладок конденсаторов (рис. 4.7, а), после чего формируют диэлектрик для конденсаторов и пересечений проводников (рис. 4.6, б). Верхние обкладки и пленочные перемычки (рис. 4.7, в) изготовляют из одной пасты. Последними формируют резисторы (рис. 4.7, г), имеющие самую низкую температуру вжигания. После облущивания контактных площадок
(верхние обкладки конденсаторов, резисторы п диэлектрик припоем не смачиваются, так как их изготовляют из паст, инертных к припою) производят лазерную подгонку резисторов (рис. 4.7, На рис. 4.7, е, ж представлены заключительные сборочные операции: установка выводов, монтаж навесных компонентов и герметизация опрессовкой с использованием пластмассы, после чего производят обрезание рамки и разъединение выводов.
§ 4.4. Разработка топологии толстопленочных ГИС
При разработке топологии учитывают особенности толстопленочной технологии, конструктивные и технологические ограничения.
Последовательность разработки топологии аналогична последовательности, принятой для тонкопленочных ГИС (см. гл. 3).
Особенности толстопленочной технологии. Пленочные элементы могут располагаться на обеих сторонах платы. Соединения между/ элементами, расположенными на разных сторонах платы, осуществляют через отверстия или внешние контактные площадки, (рис. 4.8, а, б). Суммарная площадь элементов в одном уровне не должна превышать 70% площади рабочей стороны платы.
Рис. 4.8. Контактные переходы для соединения элементов, расположенных на разных сторонах платы:
а — через отверстие в плате; б — через боковую поверхность платы
Рис. 4.9. Конструкции перемычек при однослойной разводке .толстопленочных
ГИС:
а — проволочные; б —. пленочные
Проводники, контактные площадки, выводы. Пасты для проводников и контактных площадок выбирают по табл. 4.2. Проводники, расположенные в нижнем слое при многослойной разводке соединений, не должны находиться под резисторами, подгоняемыми лазерным лучом. Минимальный размер круглого отверстия в межслойной изоляции для соединения двух уровней 0,6 мм, квадратного отверстия 0,5x0,5 мм. Контактная площадка над переходом должна быть удалена от других элементов не менее чем на 0,3 мм. Пересечения проводников в однослойной разводке выполняют с помощыо проволочных или пленочных перемычек (рис. 4.9, а, б).
Проволочные перемычки используют в случае навесных компонентов с гибкими выводами, а пленочные — с жесткими выводами. При этом размеры контактных площадок пленочных перемычек
должны быть на 0,2 мм больше ширины перемычки (рис. 4.9, б) с каждой стороны.
Варианты конструктивного выполнения внешних контактных площадок и выводов показаны на рис. 4.10. Отогнутый конец вы-
вода не должен выходить за пределы внешнего контура контактной площадки. Внутренний диаметр контактной площадки для монтажа внешнего вывода должен быть больше диаметра отверстия в плате на 0,1 мм.
Навесные компоненты. Навесные компоненты — бескорпусные диоды и диодные матрицы, транзисторы, полупроводниковые ИМС, конденсаторы, трансформаторы — могут быть с гибкими или с жесткими выводами.
В одной толстопленочной ГИС следует применять навесные компоненты с одинаковым диаметром гибких выводов для упрощения процесса сборки. С этой же целью расположение навесных компонентов с гибкими выводами на плате целесообразно указывать технологическими знаками, выполненнными
Рис. 4.10. Варианты конструктивного выполнения внешних контактных площадок и выводов
резистивными или диэлектрическими
пастами (рис. 4.11). Навесные компоненты рекомендуется располагать на одной стороне платы. Допускается устанавливать их на резисторах и проводниках, защищенных диэлектриком. Нельзя уста-
Рис. 4.11. Технологический знак и место установки навесного компонента с гибкими^ выводами (1 — технологический знак; 2 — место установки)
Рис. 4.12. Конструкция контактных площадок для монтажа навесных конденсаторов
навливать навесные компоненты на стороне платы, заливаемой компаундом.
Активные компоненты (транзисторы, диоды, транзисторные и диодные сборки) рекомендуется располагать рядами, параллельно
сторонам платы. Компоненты, однотипные по расположению выводов, предпочтительно ориентировать одинаково. Контактные площадки следует располагать напротив выводов активных компонентов. Контактные площадки для одноименных выводов активных компонентов рекомендуется располагать в одном ряду.
При монтаже навесных компонентов с жесткими выводами проводники целесообразно покрывать защитным диэлектриком, оставляя открытыми лишь контактные площадки. Пленка диэлектрика должна отстоять от края облуженной контактной площадки на 0,5 мм. Учитывая, что навесные конденсаторы имеют большой допуск по длине и ширине, размеры контактных площадок (мм) для них (рис. 4.12) определяют из следующих зависимостей:
I ^тах Н~ ОД мм,
—0,2 мм, (4.1)
Z-i '2 В А1пах0,4 мм, где Amin, Lmax — минимальная и максимальная длина конденсатора; ВП);1Х— максимальная ширина конденсатора; В, I — ширина и длина контактных площадок; L\— расстояние между контактными площадками.
Для уменьшения толщины слоя припоя контактные площадки для монтажа навесных конденсаторов допускается выполнять с прорезями шириной t не более 0,2 мм (рис. 4.12). Минимальное расстояние между прорезями (/ = 0,5 мм. Минимальное расстояние от края контактной площадки до прорези Ь\ =0,2 мм.
Резисторы. Максимальное число резистивных слоев на одной стороне платы, выполненных из паст с различным удельным сопротивлением, равно трем. Резисторы рекомендуется ориентировать одинаково, а резисторы, близкие по номиналам, изготовлять из одной пасты и располагать на одной стороне платы. Контактные площадки резисторов целесообразно располагать в одном слое с проводящими элементами. Если принципиальная электрическая схема не предусматривает внешних выводов для каждого резистора,, то для обеспечения контроля в процессе лазерной подгонки необходимо создавать технологические проволочные перемычки для соединения элемента с внешними контактными площадками, которые удаляют после подгонки (срывают пинцетом).
Пленочные конденсаторы. Их не следует располагать на стороне платы, заливаемой компаундом. Если пленочные конденсаторы соединены между собой, то они могут иметь общую нижнюю или верхнюю обкладку.
Основные конструктивно-технологические ограничения для толстопленочных ГИС приведены в табл. 4.5.
Разработка эскиза топологии. Эскиз топологии следует выполнять в масштабе 10: 1 или 20:1 на миллиметровой бумаге. Шаг координатной сетки топологического чертежа рекомендуется выбирать равным 1 или 0,5 мм. На чертеже необходимо показывать обе стороны платы.
Элемент топологии
Таблица 4.5
Конструктивно-технологические ограничения при проектировании толстопленочных ГИС
Содержание ограничения
Величина ограничения, мм
Точность изготовления линейных размеров пленочных элементов и расстояний между ними Д/, Д&, Да при расположении пленочных элементов в одном слое:
для пасты ПП-3
для остальных паст
Минимальный размер резистора 6minX/min
Максимальное отклонение сопротивления от номинала: до подгонки после лазерной подгонки
Минимальное расстояние а между пленочными элементами, расположенными в одном слое: для паст ПП-1, ПП-2 для пасты ПП-3 для пасты ПП-4 для остальных паст
Минимальное расстояние с между пленочными элементами, расположенными в разных слоях
Перекрытия е для совмещения пленочных элементов, расположенных в разных слоях
Минимальные расстояния от края платы до: пленочного элемента d.
края отверстия /
края навесного компонента q
Минимальные размеры контактных площадок для монтажа навесных компонентов с шариковыми или столбиковыми выводами: т п
±0,05
0,8 X 0,8
0,2
0,05
0,1
0,3
0,4
0,1
0,1
0,5
1,0
0,2
0,1
I Элемент топологии
Содержание ограничения
Величина ограничения
Р
Минимальные расстояния: между краями диэлектрика и нижней обкладки f между краями нижней и верхней обкладок Р между краем диэлектрика и проводником в месте вывода верхней обкладки k 0,2 0,3 0,4
Минимальная площадь перекрытия обкладок конденсатора LXB 1,ОХ 1,0
Максимальное отклонение емкости конденсатора от номинала, % ±15
Минимальная ширина проводников i: при нанесении на керамику: паста ПП-1 паста ПП-3 при нанесении на диэлектрический слой: паста ПП-1 паста ПП-3 паста ПП-4 0,2 0,15 0,3 0,2
Минимальная ширина проводника при пайке к нему гибких выводов о 0,4
Минимальные размеры контактных площадок aXb для монтажа активных компонентов с гибкими выводами и проволочных перемычек методом пайки: при ручном монтаже: для одного вывода для двух выводов для трех выводов при автоматизированном монтаже: для одного вывода для двух выводов для трех выводов Минимальные размеры контактных площадок для контроля 0,3X0,4 0,4 X 0,7 0,4X1,0 0,6 X 0,6 0,6 X 0,9 0,6X1,2 0,4 X 0,4
Минимальное расстояние от края активного компонента: до контактной площадки навесного конденсатора г до контактной площадки, к которой припаивается вывод этого элемента, s до луженого пленочного элемента t Максимальная длина гибкого вывода навесного компонента без дополнительного крепления 1,0 0,8 0,2 3,0
Поскольку в состав резистивных и проводящих паст входят драгоценные металлы, чем меньше суммарная площадь пленочных проводников и резисторов, тем экономичнее производство микросхемы. Для учета расхода материалов на чертеже платы указывают площади элементов, нанесенных различными пастами.
§ 4.5. Конструктивный расчет элементов толстопленочных ГИС
Расчет толстопленочных резисторов. Учитывая особенности толстопленочной технологии, все толстопленочные резисторы изготовляют с подгонкой, в связи с чем расчет резисторов на точность не производят.
Минимальный размер резистора, определяемый возможностями толстопленочной технологии, находят по табл. 4.4.
Резисторы можно располагать на обеих сторонах платы, но не более трех резистивных слоев на одной стороне. Все резисторы должны иметь прямоугольную форму. Не рекомендуется использовать резисторы с коэффициентом формы более 5—6 и менее 0,2.
Исходные данные для расчета: номинал резистора Ri, кОм; мощность рассеяния Pi, мВт; относительная погрешность изготовления резисторов до подгонки уд, % (см. табл. 4.5); максимально допустимая удельная мощность рассеяния резистивной пленки Ро, мВт/мм2; минимальные размеры резистора bminX/min=0,8x0,8 мм; шаг координатной сетки, мм.
Порядок расчета
1. Все резисторы располагают в порядке возрастания их номиналов и разбивают ориентировочно на группы так, чтобы при изготовлении каждый резистор состоял не более чем из 5—6 квадратов. Разбивку проводят на основании номиналов сопротивлений и значения ps резистивных паст (см. табл. 4.2).
2. Для каждой группы определяют оптимальное значение удельного сопротивления резистивной пасты psoni:
Pso,rr= 1/2^ / 2 W (4-2)
'1 /1
где п — количество резисторов.
3. По рассчитанному значению р$ 'Выбирают согласно табл. 4.2 пасту с удельным сопротивлением р5, ближайшим к pSotlT.
4. Определяют коэффициент формы резистора:
= (4.3)
Для Кф^1 определяют геометрические размеры резистора: ширину b и длину I.
5. Ширина резистора прямоугольной формы ЬраСч должна быть
не меньше наибольшего значения одной из двух величин ЬР и Ьтохп: £расч>тах [Ьр, (4.4)
где &теХ11 — минимальная ширина резистора, обусловленная возможностями толстоплеиочной технологии; ЬТехн=0,8 мм (см. табл. 4.5).
Ширина резистора из условия выделения заданной мощности
bp > V(КРР>ГРйК^, (4.5)
где Кр — коэффициент запаса мощности, учитывающий подгонку резистора:
Кр=1 + У/?/50. (4.6)
При ун = 50% 7\р = 2.
6. Расчетная длина резистора
^расч ^расч^ф* (4-7)
Расчетные значения ЬраСч и /расч корректируют. За длину I и ширину b резистора принимают значения, ближайшие к расчетным в •сторону уменьшения сопротивления резистора Rh кратные шагу или половине шага координатной сетки с учетом масштаба чертежа топологии. Например, если шаг координатной сетки 1 мм, масштаб 10: 1, то геометрические размеры округляют до значения, кратного 0,1 мм, причем ширину &раСч корректируют в большую, а длину /Расч — в меньшую сторону. По откорректированному значению длины резистора I в зависимости от ширины b из графиков рис. 4.13, а—ж находят исправленное значение длины резистора /цСПр с учетом растекания паст.
Для резисторов, имеющих /<ф< 1, расчет начинают с определения длины по аналогии с приведенными формулами:
^расч ВТЗХ {Zp, ^техн} ,
1р > И(KpPKJiPr,, (4.8)
/техн—0,8 мм (см. табл. 4.5), ^расч ^расч/^ф*
7. Длина резистора с учетом перекрытия с контактными площадками
^no.iH ^нспрН~2е, (4-9)
где с — минимальный размер перекрытия, определяемый по табл. 4.5. Обычно значение е берут равным ширине проводника.
8. Площадь резистора
(4.10)
Оптимальное число паст определяют из условия, чтобы площадь, занимаемая всеми резисторами на плате, была минимальной. Если окажется, что при увеличении числа паст выигрыш в
ялощади незначителен или размеры платы достаточны, то целесообразно остановиться на меньшем числе паст. При этом погрешность изготовления резисторов будет тем меньше, чем меньше отличается форма резистора от квадрата. Для выбора оптимального варианта можно воспользоваться программой расчета толстопленочных резисторов на ЭВМ. (см. гл. 6).
Рис. 4.13. Графики корректировки длин резисторов для учета растекания паст
Расчет толстопленочных конденсаторов. Исходные данные для расчета: емкость конденсатора С, пФ; относительная погрешность изготовления конденсатора ус, %; рабочее напряжение £/раб, В; технологические ограничения (см. табл. 4.5).
Расчет конденсаторов на точность не проводят. Если точность изготовления конденсатора задана выше 15%, необходимо предусмотреть участок подгонки на верхней обкладке.
Порядок расчета
1. В зависимости от диапазона номинальных значении выбирают диэлектрическую пасту по табл. 4.3. Пасты для нижней и верхней обкладок выбирают в соответствии с табл. 4.1.
2. Определяют площадь верхней обкладки конденсатора:
S=C/C,. (4.11)
3. Рассчитывают геометрические размеры верхней обкладки конденсатора. Для обкладок квадратной формы
L = B=VS. (4.12)
4. Вычисляют геометрические размеры нижней обкладки конденсатора:
LH = B=L + 2p- (4.13)
где р — перекрытие между нижней и верхней обкладками (см. табл. 4.5).
5. Определяют геометрические размеры диэлектрика:
кл=Вл=Ьн + 2/, . (4.14)
где f—перекрытие между нижней обкладкой и диэлектриком (см. табл. 4.5).
6. Вычисляют площадь, занимаемую конденсатором на плате:
5Д=£ДВД. (4.15)
Если квадратная форма обкладок конденсаторов по каким-либо причинам неудобна, конструируют обкладки прямоугольной формы, задавшись одним из размеров верхней обкладки, L или В, и определяют второй размер, исходя из необходимой площади конденсатора и коэффициента формы обкладок.
В случае большого числа конденсаторов в схеме можно воспользоваться программой расчета на ЭВМ (см. гл. 6).
Часть III
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Глава 5
КОНСТРУКТИВНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТРЕБОВАНИЙ К ИМС
§ 5.1. Технические условия на ИМС
Технические условия (ТУ) на ИМ.С представляют собой комплекс основных требований к ней и определяют ее выходные параметры, условия эксплуатации и хранения. ТУ подразделяют на общие (ОТУ), частные (ЧТУ), временные (ВТУ) и др. Общие ТУ устанавливают заданные требования ко всем типам ИМС опытного или массового производства, изготовляемых отечественной промышленностью. Частные ТУ определяют назначение каждого типа ИМС (ее принадлежность к типу и серии ИМС), уточняют нормы на параметры и режимы испытаний. устанавливают специальные и дополнительные требования. В связи с тем, что в процессе разработки, которая обычно сопровождается изготовлением опытной партии ИМС, проектировщикам еще не известны точные значения отдельных параметров, выпускаются временные технические условия. ОТУ и ЧТУ взаимосвязаны и дополняют друг друга. Они обязательны для предприятия-заказчика, предприятия-разработчика и завода-изготовителя.
ОТУ на ИМС широкого применения. Согласно ГОСТ 18725—73, ОТУ содержат требования к электрическим параметрам, конструкции, устойчивости к механическим и климатическим воздействиям, надежности, долговечности и сохраняемости.
Требования к электрическим параметрам и режимам. Электрические параметры ИМС при изготовлении, хранении и эксплуатации в режимах и условиях, допускаемых в технической документации на ИМС конкретных типов, должны соответствовать установленным в ней нормам. Согласно ГОСТ 17230—71, предпочтительным является следующий ряд номинальных значений напряжения питания ИМС: 1,2; 2,4; 3,0; 4,0; 5,2; 6,0; 9,0; 12,0;'15,0; 24,0; 30,0- 480; 100; 150; 200 В.
Требования к конструкции. Габаритные и присоединительные размеры, внешний вид и масса ИМС должны соответствовать требованиям, установленным в технической документации па ИМС конкретных типов. Бескорпусные ИМС должны быть стойкими к процессу сборки. Выводы ИМС должны выдерживать растягивающие усилия и изгибы, легко паяться и свариваться.
Требования к устойчивости при механических воздействиях. ИМС должны сохранять параметры в пределах норм, установлен-
пых технической документацией в соответствии с группой жесткости согласно ГОСТ 16962—71 в процессе и после воздействия механических нагрузок: вибрационных с частотой 1—2000 Гц и максимальным ускорением 10—20 g, многократных ударов длительностью 2—6 мс с ускорением 75—150 g, линейных (центробежных) нагрузок с максимальным ускорением 25—2000 g.
Требования к устойчивости при климатических воздействиях. ИМС должны сохранять параметры в пределах норм, установленных технической документацией, в процессе и после воздействия на них следующих климатических факторов: температуры воздуха с верхними значениями +55, +70, +85, +’100, +125, + 155°Си нижними значениями —10, —25, —40, —45, —55, —60° С, изменения температур от верхнего до нижнего пределов (пределы выбирают из-указанного ряда значений в соответствии с ТУ на конкретную микросхему); относительной влажности окружающей среды (для корпусных ИМС) 98% при температуре 35° С. ИМС должны допускать эксплуатацию после их транспортировки при температуре —50° С. ИМС в корпусном исполнении, предназначенные для эксплуатации в условиях тропического климата, должны быть устойчивыми к длительному воздействию влаги, соляного тумана и среды, зараженной плесневыми грибами.
Требования к надежности. Минимальная наработка ИМС в указанных режимах и условиях должна быть не менее 15 000 ч.
Интенсивность отказов ИМС в режимах и условиях работы, соответствующих ТУ, не должна превышать 3,7-10-5 ч_| для ИМС’ первой и второй степеней интеграции и 5-10—5 ч-1 для ИМС третьей—шестой степеней интеграции.
Срок хранения ИМС. Для ИМС в корпусном исполнении, размещенных в упаковке предприятия-изготовителя, срок хранения в отапливаемых помещениях не менее шести лет; для ИМС в бескор-пусном исполнении, размещенных в негерметичной упаковке в цеховых условиях при влажности не более 65% и нормальной температуре,— не менее 30 сут; для ИМС в герметичной или влагонепроницаемой упаковке предприятия-изготовителя в складких условиях — не менее двух лет; для ИМС, установленных в герметизируемые объемы, — как для корпусных микросхем. Срок хранения ИМС исчисляют с момента изготовления.
Маркировка. На каждом корпусе ИМС должны быть отчетливо нанесены: товарный знак предприятия-изготовителя; условное обозначение типа ИМС, месяц и две последние цифры года изготовления; обозначение первого вывода, если он не указан другим способом. Маркировка должна оставаться прочной и разборчивой при эксплуатации ИМС в режимах и условиях, оговоренных в технической документации.
Упаковка. Каждая бескорпуспая ИМС должна быть упакована в индивидуальную тару, защищающую ее от механических нагрузок. Тара должна обеспечивать возможность измерения электрических параметров, а также возможность извлечения ИМС без повреждений. Все ИМС должны быть упакованы в потребительскую 156
-тару (индивидуальную или групповую), исключающую возможность i.v повреждения и деформацию выводов, и уложены в картонные коробки, куда вкладывают паспорт.
§ 5.2. Конструктивные меры защиты ИМС от воздействия дестабилизирующих факторов
Основным способом защиты ИМС от воздействия дестабилизирующих факторов (температуры, влажности, солнечной! радиации, пыли, агрессивных химических и биологических сред, механических воздействий) является г е р м е т и з ац и я. Ее осуществляют с помощью специально разработанных конструкций — корпусов, в которых размещают ИМС, либо нанесением защитных материалов непосредственно на поверхность ИМС.
В настоящее время разработка полупроводниковых ИМС в корпусах, как правило, сопровождается разработкой их аналогов в бес-корпусном варианте. Бескорпусные полупроводниковые, а также гибридные ИМС разрабатывают для эксплуатации в составе ячеек и блоков микроэлектронной аппаратуры, которые подвергают общей герметизации.
Герметизация с использованием корпусов. Корпусы ИМС классифицируют по форгле и расположению выводов и делят на пять типов в соответствии с табл. 5.1 и рис. 5.1—5.5 (ГОСТ 17467—79).
По габаритным и присоединительным размерам корпусы подразделяют на типоразмеры, каждому из которых присваивается шифр, состоящий из номера подтипа (табл. 5.1) и двузначного числа (01—99), означающего порядковый номер типоразмера; номер подтипа и порядковый номер типоразмера дают шифр типоразмера. Стандартом регламентируются габаритные размеры корпусов, количество выводов, расстояние между ними, диаметр (ширина) и длина выводов и т. д. В конструкторской документации корпусам присваиваются условные обозначения, содержащие слово «Корпус», шифр типоразмера, цифровой индекс, определяющий число выводов, порядковый регистрационный номер разработки и указание на стандарт (например, корпус 2103.16-8 ГОСТ 17467—79). Значительная часть используемых в настоящее время корпусов была разработана до введения в действие нового стандарта и обозначается согласно ГОСТ 17467—72, в котором не были предусмотрены подтипы и отсутствовали корпусы типа 5. Далее, где это возможно, приводятся обозначения типоразмеров согласно новому и старому стандартам.
В зависимости от применяемых материалов корпусы ИМС подразделяют на стеклянные, керамические, пластмассовые, металлостеклянные, металлокерамические, металлополимерные, стеклокерамические и др. Конструкции наиболее широко применяемых для герметизации полупроводниковых ИМС корпусов показаны на рис. 5.6—5.14, а их конструктивно-технологические характеристики даны в табл. 5.2—5.4.
Рис. 5.1. Конструкции корпусов типа 1 подтипов 11(a), 12(6), 14(e) с вариантами конструкций выводов
Рис. 5.2. Конструкции корпусов типа 2 подтипов 21(a) и 22(5) с вариантами формовки и конструкций выводов
Рис. 5.3. Конструкции корпусов типа 3 подтипов 31(a) и 32(6) с выводами круглого сечения
Таблица 5.1
Типы корпусов ИМС по ГОСТ 17467—79
5 Подтип Форма проекции корпуса на плоскость основания Расположение проекции выводов (выводных площадок) на плоскость основания Расположение выводов (выводных площадок) относительно плоскости основания
1 11 12 13 14 Прямоугольная В пределах проекции корпуса Перпендикулярное, в один ряд Перпендикулярное, в два ряда Перпендикулярное, в три ряда и более Перпендикулярное, по контуру прямоугольника
2 21 22 То же За пределами проекции корпуса Перпендикулярное, в два ряда Перпендикулярное, в четыре ряда в шахматном порядке
3 31 32 Круглая Овальная В пределах проекции корпуса Перпендикулярное, по одной окружности
4 41 42 Прямоугольная За пределами проекции корпуса Параллельное, по двум противоположным сторонам Параллельное, по четырем сторонам
5 То же В пределах проекции корпуса Перпендикулярное, ' для боковых выводных площадок; в плоскости основания для нижних выводных площадок
На рис. 5.6, 5.8, 5.9, 5.11 и 5.13 представлены конструкции металлокерамических и металлостеклянных корпусов. Корпусы состоят из металлического .дна и металлической крышки, а также стеклянных или керамических деталей, в которые впаяны либо впрессованы металлические выводы круглого или прямоугольного сечения. Металлическое дно также спаяно или спрессовано со стеклом или керамикой. Такие корпусы герметизируют созданием вакуумплотного соединения крышки с вваренным в диэлектрик фланцем путем пайки или сварки. Монтажная площадка, контактные площадки и выводы подобных корпусов имеют золотое покрытие толщиной 2—5 мкм для обеспечения процессов эвтектической пайки, разварки выводов и улучшения паяемости при сборке,
Рис. 5.4. Конструкции корпусов типа 4 подтипа 41 с двумя вариантами формовки выводов прямоугольного сечения (а) и подтипа 42 (б)
гашиш
Рис. 5.5. Конструкция корпуса типа 5
Рис. 5.6. Конструкция металлокерамического
корпуса 2103 (201.8-1)
16 Зыбобов 0.52-0,15
Рис. 5.7. Конструкция керамического корпуса 2103 (201.16-13, 201.16-15)
Таблица 5.2
Конструктивно-технологические характеристики корпусов типа 2 для герметизации полупроводниковых ИМС
Условное обозначение корпуса Вариант исполнения Масса, г, не более Размер монтажной; площадки, мм Метод крепления кристалла в корпусе
эвтектическая пайка посадка на клей
2103(201.8-1) мк 1,8 5,ОХЗ,0 + 4"
2102(201.14-10) мк 1,55 5,6X3,0 —•
2103(201.16-8) к 1,6 5,0 X 3,0 + +
2103(201.16-13) к 1,6 4,4X2,2 + +
2106(201.16-17) к 2,0 7,0X3,5 + +
2106 (201 .А. 16-1) к 2,0 6,0X5,0 + —
2108 (210.А.22-1) к 3,0 5,0X4,0 + 4-
2120(210.5.24-1) к 4,0 7,5 X 7,5 + +
2114(212.32-1) мк 4,6 6,0X5,0 + —
2104(238.18-1) к 3,0 5,5x3,7 + —
2205(244.48-11) к 5,0 0 8,0 + +
2204(249.42-1) к 4,15 6,2 X 6,2 + 4"
2104.18-2 к 1,6 7,0X3,5 — +
2121.28-3 мк 4,5 5,0X5,0 — +
2123.40-4 мк 6,0 6,0 X 5,0 — +
Примечания: 1) К, МК—керамические и металлокерамические корпусы; 2) метод используется (4-) и не используется (—); 3) корпусы герметизируют методом шовной контактной сварки; герметичность корпусов 5-10-5 л-мкм/с.
При отсутствии золочения монтажной площадки для монтажа ИМС в корпус применяют не эвтектическую пайку, а используют клей хо-
8 выводов <Ь0,№0,05
Рис. 5.8. Конструкция металлостеклянного корпуса 3104(302.8-1)
лодного отверждения. Для изготовления металлостеклянных корпусов используют дефицитные материалы — золото, никель-кобальтовые сплавы, поэтому они служат лишь для герметизации ИМС специального назначения, БИС и СБИС с большим количеством выводов.
Конструкции керамических корпусов (рис. 5.7, 5.12), согласно данным табл. 5.2, 5.4, обеспечивают большое количество типоразмеров, хотя и обладают менее хорошими защитными свойствами и характеристиками надежности из-за большей хрупкости керамического основания и крышки, если она выполняется тоже из керамики, и более высокого теплового сопротивления корпуса. Керамиче
ские корпусы изготовляют из нескольких (двух-трех) слоев керамики, на которые наносят методами толстопленочной тех
нологии проводящие дорожки и (контактные площадки внутри и снаружи- корпуса. После прессования многослойной структуры осуществляют обжиг, в результате которого формируется монолитное тело керамического корпуса с встроенными проводящими дорожками. Внешние плоские металлические выводы прямоугольного сечения приваривают к внешним контактным площадкам сбоку (рис. 5.7) или поверх основания корпуса (рис. 5.12). Аналогично формируются выводы и у плоских прямоугольных металлокерамических корпусов (рис. 5.13).
Керамическими являются и корпусы типа 5 (см. рис. 5.5), называемые микрокорпусами или кристаллодерзюателями. Они представляют собой керамическую пластину, внутри которой встроены металлические дорожки, а по периметру расположены металлизированные контактные площадки, используемые в качестве внешних выводов. Такая конструкция позволяет уменьшить размеры корпуса, увеличить стойкость к механическим воздействиям и улучшить схемотехнические и технологические характеристики. Благодаря более коротким выводам верхний частотный предел ИМС, помещенных в кристаллодержатель, увеличивается примерно в три раза по
Рис. 5.9. Конструкция металлостеклянного корпуса 3204(311.10-1)
Таблица 5.3
Конструктивно-технологические характеристики металлостеклянных корпусов типа 3 для герметизации полупроводниковых ИМС
Условное обозначение корпуса Масса, г, не более Диаметр контактной площадки, мм Метод крепления кристалла в корпусе Мощность рассеяния при температуре 20°С, Вт Герметичность, л-мкм/с
эвтектическая пайка посадка на клёй
3101 (301.8-2) 3107 (301.12-1) 3104 (302.8-1) 3203 (311.8-1) 3203 (311.8-2) 3204 (311.10-1) 1,3 3,0 1,25 20,0 23,0 20,0 3,0 3,8 3,0 8,0 8,0 - 8,0 ++++++ 1 1 1 +++ 0,4 0,5 3,5 5,0 CD CD CD 1 1 1 « « 2 2 2 о о о СО СО СО
Рис. 5.10. Конструкция стеклянного корпуса 4105(401.14-3)
Рис. 5.11. Конструкция металлостеклянного корпуса 4105(401.14-4)
Рис. 5.12. Конструкции керамических корпусов 4118.24-1, 41 18 24-2 4118 24-3
4118.24-4
d
Рис. 5.13. Конструкция .металлокерамического корпуса 4122.40-2
Таблица 5.4
Конструктивно-технологические характеристики корпусов типа 4 для герметизации полупроводниковых ИМС
Условное обозначение корпуса Вариант исполнения Л^асса, г, не бэ.1ее Размеры монтажной площадки, м м Метод крепления крио талла в корпусе
эвтектическая пайка п осадка на клей
4105(401.14-3) с 0,35 4,9X2,0 +
4105(401.14-4) мс 0,35 4,9 X 2,0 + +
4105(401.14-5) мс 0,6 4,9X2,0
41 12(402.16-21) к 1,6 5,1X3,1 —|— 1
4112(402.16-23) к 1,6 5,1X3,1 — +
Продолжение табл. 5.4
Условное обозначение корпуса Вариант исполнения Масса, г, не более Размеры монтажной площадки, мм Метод крепления кристалла в корпусе
эвтектическая пайка посадка на клей
4112(402.16-25) к 1,6 5,1X3,1 -{- +
4112(402.16-32) к 1,0 4,0X3,2 4- —
4112(402.16-33) к 1,0 4,0X3,2' — +
4118(405.24-2) к 1,6 7,5X5,0 4- т
4118(405.24-4) к 1,51 7,5 X 5,0 + “Г
4134(413.48-1) МС 2,2 0 8,0 4- —
4116(427.18-2) мк 1,6 7,2X6,2 — +
4151(429.42-1) к 4,0 6,2 X 6,2 + —
4151(429.42-3) к 4,0 6,2 X 6,2 —
4151(429.42-5) к 4,0 7,0X7,2 4- —
4151 (429.42-6) к 4,0 7,0X7,2 — 4-
4202(460.24-1) МС 1,9 0 80 4- —
4112.16-1 к 1,1 5,5X4,5 — +
4112.16-2 к 1,1 5,5X4,5 4- —
4112.16-3 к 1,16 5,5X4,5 + —
4117.22-2 мк 2,0 7,2 X 6,2 — 4-
4118.24-1,3 к 1,9 5,0X5,0 “h —
4118.24-2,4 к 1,9 5,0 X 5,0 —
4119.28-2 мк 2,2 5,0 X 5,0 — 4-
4122.40-2 мк 3,0 6,0 X 5,0 — -к
4131.24-2 мк 2,9 10,7X8,3 — +
4138.42-2 мк 4,8 10,7X8,3 — +
Примечания: 1) С, К, МС, МК.— соответственно стеклянные, керамические, металлостеклянные, металлокерамические корпусы; 2) герметичность корпусов 4134.48-1 и 4202.24-1 — 1-Ю-з л-мкм/с, всех остальных — 5-10-5 л-мкм/с; 3) корпусы герметизируют шовной контактной сваркой, за исключением корпусов 4105.14-3, 4134.48-1, 4202.24-1, герметизируемых пайкой с использованием мягких припоев ПОС-Gl, ПСр-2,5.
Рис. 5.14. Конструкция пластмассового корпуса 2102(201.14-1)
I
I 1 I'
I i
Л_____|----Л--г- Ключ
сравнению с частотным пределом той же ИМС, размешенной в другом корпусе. Упрощаются технологические процессы установки II сборки крпсталлодсржателей в микросборках и на печатных платах, ремонтопригодность аппаратуры за счет упрощения процесса смены (перепайки) мпкрокорпусов.
Наиболее дешевой и доступной является копе т р у к ц и я пластмассового корпуса (рис. 5.14). Низкая стоимость
Рис. 5.18. Конструкция металлостек- Рис. 5.19. Конструкция металло-лянного корпуса 1206 (153.15-1) стеклянного корпуса 1207
(155.15-1)
пластмассового корпуса определяется: дешевизной применяемого материала и технологии изготовления корпуса, в которой операции формирования монолитного (корпуса и герметизации ИА'1С совмещены; возможностью автоматизации сборки с использованием плоских выводов в виде рамок; возможностью осуществления групповой технологии герметизации, например литьевого прессования с помощью многоместных прессформ пли метода заливки эпоксидным компаундом в многоместные литьевые формы.
) }
U
6—449
Рис. 5.20. Конструкция металлостеклянного корпуса 1210 (157.29-1)
Защитные свойства пластмассовых корпусов невысоки в связи с тем, что пластмассы обладают низкими влагозащитными свойствами; кроме того, герметичность соединений металла с пластмассой нарушается из-за большой (на порядок!) разницы коэффициентов термического расширения этих материалов. По этой причине применение пластмассовых корпусов разрешено для герметизации ИМС, устанавливаемых в стационарной аппаратуре, работающей в закрытых отапливаемых помещениях.
Для герметизации гибридных ИМС необходимы корпусы с большими размерами монтажных площадок. Конструкции корпусов, представленные на рис. 5.15—5.20, разрешены для применения при разработке ИМС ОСТ 11.0737001—75. Допускается в порядке исключения использовать металлополимерные корпусы, представленные на рис. 5.21—5.23. Технические характеристики этих корпусов приведены в табл. 5.5.
(Выбор типа корпуса для ИМС и конструктивно-технологического варианта его исполнения определяется условиями работы аппаратуры, для которой данная ИМС предназначена, и требованиями по сборке, установке и монтажу ИМС на печатных 'платах.
Выбор типоразмера корпуса определяется размером монтажной площадки для установки полупроводникового кристалла или платы ГИС, высотой ИМС, равной подложки (для ГИС
плюс высота самого высокого навесного компонента), и числом выводов ИМС.
Каждый вывод корпуса ИМС имеет свою нумерацию. Нумерация начинается с вывода, расположенного в зоне ключа. Ключ следует располагать в заштрихованной на рис. 5.1—5.5 зоне. В качестве ключа может быть выступ, выемка, углубление или другой конструктивный знак на корпусе, знак или надпись, выполненные маркировкой.
СДопускается применять корпусы с большим, чем это необходимо по схеме, числом выводов. При установке ИМС на печатную пла
ту незадействованные выводы удаляют, но нумерацию выводов сохраняют.
Бескорпусная герметизация. Начальным этапом герметизации, как бескорпусной, так и с использованием корпусов, часто является
4
00, 75min
Рис. 5.21. Конструкция металлополи-мерного корпуса «Тропа»
12выводовФОртщ толщине
JV=y
178 max
пассивация поверхности кристалла полупроводниковых ИМС и предварительная защита поверхности гибридных ИМС. Для этого в полупроводниковой технологии используют пленки SiOa, боросиликатного или фосфоросиликатного стекла толщиной около 1 мкм. В МДП-ИМС, где роль поверхности особенно велика, при герметизации в пластмассовые корпусы наряду с этими материалами целе-
Рис. 5.22. Конструкция металлополимерного корпуса «Пенал»
сообразно применять химически чистые и электрически нейтральные полимерные материалы, например фторопласт-4, который можно нанести в вакууме в тлеющем разряде в виде пленки толщиной 0,2—0,4 мкм. В гибридной технологии для предварительной защиты используют пленки SiOs, SiO, GeO, негативный фоторезист ФН-103 (см. табл. 3.7), для толстопленочных ГИС — стекла. Поверх этих сравнительно тонких слоев электрически и химически инертных материалов при бескорпусной герметизации наносят герметики:
для герметизации полупроводниковых ИМС — кремнийорганиче-
Рис. 5.23. Конструкция металлополимерного корпуса «Акция»
Таблица 5.5
Конструктивно-технологические характеристики корпусов __________для герметизации гибридных ИМС______________
Условное обозначение Т корпуса .‘^Вариант исполнения н •-J Масса, г, не более Размеры монтажной площадки, мм Мощность рассеяния при температуре 20’С, Вт Метод герметизации корпуса
1203(151.14-2,3) МС 1,6 15,6X6,2 3,2 КС
1203(151.15-1) мс 2,0 17,0X8,3 1,6 - АДС
1203(151.15-2,3) мс 1,6 15,6X6,2 3,3 КС,
1203(151.15-4,5,6) мс 2,4 14,0X6,2 3,2 АДС КС
1206(153.15-1) мс 2,8 17,0X15,3 2,0 АДС
1207(155.15-1) мс 6,5 16,8X22,5 2,5 КС
1210(157.29-1) мс 14,0 34,0X20,0 4,6 ЛС
«Тропа» МП 1,5 8,1 Х8,1 0,7 ЗК
«Пенал» МП 2,4 20,1X8,1 ‘ 0,6 зк
«Акция» МП 1,8 16,1X10,1 0,5 ЗК
Примечания: 1) МС и МП — металлостекляииые и металлополнмерные корпусы; ’ 2) для посадки платы в корпус используют клей холодного отверждения; 3) КС, АДС, ЛС, ЗК — коидеисаториая, аргонодуговая, лазерная сварка и заливка компаундом соответственно.
Рис. 5.24. Конструкции бескорпусных полупроводниковых ИМС и способы их установки на плату:
а — ИМС серии БК734 с гибкими выводами; б — ИМС серии БК776 с жестким» выводами
скую эмаль КО-97, эпоксидсодержащую эмаль ЭП-91, фторсодержащий лак ФП-525, эпоксидный компаунд ЭКМ; эмали и лаки наносят на одну, рабочую сторону кристалла, компаунд —на обе стороны и на боковые грани; эмали и лаки наносят на кристалл «с иглы» в виде растекающейся по его поверхности капли, компаунд— методом окунания или обволакивания (толщина герметизирующего покрытия 200—400 мкм);
для герметизации тонкопленочных ГИС — лаки ФП-525, УР-231, эмаль ФП-545; их наносят в электростатическом поле распылением из пульверизатора, погружением или поливом;
для герметизации толстопленочных ГИС — компаунды Ф-47, ЭК-91, ПЭП-177, ПЭК-19, наносимые методом обволакивания или вихревого напыления до образования оболочки толщиной 0,2—• 1,2 мм.
Как правило, бескорпусные ИМС имеют прямоугольную или квадратную форму (рис. 5.24, а, б}, что более удобно для оптимального их размещения на подложки или платы в сочетании с другими электрорадиоэлементами.
§ 5.3. Обеспечение тепловых режимов работы ИМС
Конструкция ИМС должна быть такой, чтобы теплота, выделяющаяся при ее функционировании, не приводила в наиболее не
благоприятных условиях эксплуатации к отказам элементов в результате перегрева. К тепловыделяющим элементам следует отнести прежде всего резисторы, активные элементы и компоненты. Мощности, рассеиваемые конденсаторами и индуктивностями, невелики. Пленочная коммутация ИМС благодаря малому электрическому сопротивлению и высокой теплопроводности металлических пленок способствует отводу теплоты от наиболее нагретых элементов и выравниванию температуры платы ГИС или кристаллов полупроводниковых ИМС.
Введем следующие понятия, необходимые для осуществления тепловых расчетов.
Перегрев элемента или компонента ИМС (0, °C), — разность между их температурой и средней температурой поверхности корпуса. Максимально допустимая температура — максимальная температура элемента или компонента ИМС, при которой обеспечиваются требования к их надежности. Удельная мощность рассеяния (Ро, Вт/°С) — плотность теплового потока от элемента ИМС, кристалла или платы ИМС. Внутреннее тепловое сопротивление элемента, кристалла или компонента ИМС (Лт ин, °С/Вт) — тепловое сопротивление самого элемента (кристалла, компонента) и тепловое сопротивление контакта между элементом (компонентом) и платой (кристаллом и корпусом) с учетом теплового сопротивления клеевой прослойки.
Рис. 5.25. Тепловой поток от источника теплоты при различных соотношениях между размерами тепловыделяющих элементов и толщиной подложки:
1 — теплоотвод; 2 — слой клея или компаунда; 3 — подложка; 4 — тепловыделяющий элемент
В случае, когда весь тепловой поток сосредоточен под элементом ИМС и направлен к подложке (рис. 5.25), при соотношении I, b^h тепловой поток плоскопараллелен и тепловое сопротивление
где Рт— тепловое сопротивление; Хп и Хк — коэффициенты теплопроводности материала подложки и клея, Вт/(м-°С); Лп и Лк — их толщины; b и I — размеры контакта тепловыделяющего элемента с подложкой; h = hu + hK.
При уменьшении размеров источника тепла тепловой поток становится расходящимся (рис. 5.25), эффективность теплоотвода увеличивается и соответственно уменьшается тепловое сопротивление. Этот факт учитывается функцией у(q, г):
^гэфф—^rY, (<7, г),
(5-2)
где q — ll2.h, r = b!2h, I и b — линейные размеры плоского источника теплоты.
Для корпусов, представленных на рис. 5.6—5.13, 5.15—5.20, значения функции у (q, г) даны на рис. 5.26.
7(ЧЛ
0,50
0,55
0,50
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
Рис. 5.26. Значения функции у (<7> г)з
а —при <7=0+0,1; б — при <7=O,1+O,4j в —при </=0,4+1,0; г — при <7=1,0 + 4,0
Зная значения 7?т или л’тэфф для каждого элемента ИМС, легко ^рассчитать перегрев элементов за счет рассеиваемой мощности Рэ:
®э=^“>э^Тэфф« (5.3)
Температура элемента
+ Тэ=Тс + &к + в9, (5.4)
где Тс — температура окружающей среды; 0К— перегрев корпуса относительно температуры окружающей среды.
В навесных, дискретных компонентах наиболее чувствительны к перегреву области р-м-переходов. Их перегрев относительно подложки определяется выражением
0вн = /?Гви/’э. (5.5)
Для навесного полупроводникового компонента
т^=тс+ек+е,+еа. (5.6) |
Перегрев корпусов 0К определяется конструкцией корпуса и мощностью рассеяния помещенных в него кристалла или платы ИМС, особенностями монтажа ИМС в составе микроэлектронного узла или блока, способом охлаждения. Тепловое сопротивление корпуса
/?K=l/(aSr)> (5.7) .
где а — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-°С); ST — площадь теплового контакта корпуса с теплоотводом.
При охлаждении путем естественной конвекции а = 54-20, при обдуве а = 204-100, при теплоотводе кондукцией через тонкий (0,1 мм) воздушный промежуток а«3-102, при теплоотводе кондук- > цией через слой эпоксидного клея толщиной 0,1 мм а = 3-1024-3-103, при металлическом теплоотводе а= 1044-105. ‘
Перегрев корпуса 0К можно оценить по формуле
(5.8)
где — суммарная мощность, рассеиваемая ИМС. П
Формула (5.4) не учитывает перегрева за счет взаимного влия- L ния тепловыделяющих элементов, обусловленного наложением теп- || ловых потоков всех источников теплоты, содержащихся в ИМС. Од- I нако этот фоновый перегрев частично учитывается значением 0к- '
Приведенные формулы справедливы при следующих допущени- f ях: коэффициенты теплопроводности всех материалов конструкции ’• ИМС в исследуемом диапазоне температур постоянны; теплоотда- г, чей через газовую прослойку внутри корпуса и через гибкие прово- । лочные выводы можно пренебречь; тепловыделяющие элементы 1 являются плоскими источниками теплоты; температура корпуса одинакова во всех его точках (изотермичный корпус).
( 176 f
Нормальный тепловой режим элементов и навесных компонентов ИМС обеспечивается при выполнении условий
— 7'с 1па?-Ч-
(5.9>
Т —Т х н -М-) 4 У <Т
i нк — 1 с шах Ж 7kTj3T bh max доп,
где Тешах —максимальная температура окружающей среды в процессе эксплуатации, заданная ТУ; Ттахдоп максимально допустимая рабочая температура элемента и компонента, обычно оговариваемая в ТУ на компоненты или материалы пленочных элементов.
Для дискретных полупроводниковых приборов и полупроводниковых ИМС Гшах доп-55, 85 и 125° С (см^табл. 3.9), для диодов 85° С, для конденсаторов КЮ-9, К10-17(80^С, для конденсаторов К53-15, К53-16 75°С (см. § 3.4).
Нормальный тепловой режим ИМС обеспечивается, если температура самого теплонагруженного элемента ИЛ4С не превышает его максимально допустимой рабочей температуры.
Таким образом, ориентировочный расчет обеспечения теплового режима ГИС сводится к определению ТНк и Гэ всех навесных компонентов и всех резисторов ГИС и сравнению ее с Тщахдоп-
Необходимые данные для расчета: толщина подложки_0,6-—
0,8 мм, коэффициент теплопроводности материала подложки — согласно табл. 3.1,{толщина слоя к лещ 0,1 мм, его коэффициент тепло-проводиости ДЗДВт/ (м-°C), внутреннее тепловое сопротивление дискретных полупроводниковых приборов в зависимости от конструктивного исполнения 200—1600° C/Вт. Например, для бескорпус-
иых транзисторов КТ331, КТ332 с заливкой герметиком с одной стороны (согласно рис. 3.6) тепловое с заливкой герметиком с двух сторон RT = 630° C/Вт, для КТ324 R? = 860° С/В
910, 911 (см. табл. 3.10; 3.11) Ят = 220°С/Вт.
При несоблюдении неравенств (5.9) необходимо принимать дополнительные конструктивные меры для обеспечения теплового режима ИМС .
сопротивление /?т==220 C/Вт, а А,т= 1600°С/Вт, для КТ307 т, для диодов КД901, 904„
Рис. 5.27. Фрагмент ГИС:
/ — теплоотводящая шина (медь): 7 — основание металлостекляниого корпуса (кв»1 вар); 3 — ситалловая подложка; 4 — слои
эпоксидного клея
Пример. Провести ориентировочный тепловой расчет резисторов и дискретного транзистора фрагмента ГИС, изображенного на рис. 5.27, при следующих исходных данных: ГИС размещена на ситалловой подложке СТ-50-1 толщиной 0,6 мм в металлостеклянном корпусе К151.14-2, посаженном с помощью клея
на тепл00тв0ДЯЩУю шину; размеры контакта корпуса с теплоотводов 15X7 мм; мощность, выделяемая в корпусе, 0,2 Вт; максимальная температуре окружающей среды в процессе эксплуатации ИМС 50° С. Геометрические размеры элементов н рассеиваемые ими мощности приведены в табл. 5.6.
таблице расчетные значения R,T и /?г»фф получены по формулам (5.1) в (5.2), у(<7, г) по графикам рис. 5.26, — по выражению (5.3).
Исходные и расчетные значения тепловых параметров для компонентов ГИС
Элемент Исходные значения Расчетные значения
1, мхЮ 3 СО 1 о X Й со £ 4) О, с S-7 II V. U ‘Ь) 1 о: ффе л Ф
КТ324 0,7 0,7 15 0,5 0,5 0,45 1,55-Ю3 0,7-103 10,5
5 0,5 25 3,6 0,36 0,53 0,3-103 0,16-103 4,0
я2 2 0,6 60 1,4 0,43 0,54 0,63-103 0,34-Ю3 20,4
Внутренний перегрев области р-л-перехода транзистора КТ324 [см. формулу (5.5)]
6ВН = 863-15-Ю~3 = 17,5°С.
] Оцениваем перегрев корпуса по соотношениям (5.7) и (5.8):
6К = 0,2/(330* 15-7.10-6) = б, 3°С
Принимаем максимально допустимую рабочую температуру резисторов 125° С, транзистора КТ324 равной 85° С (см. § 3.4).
Проводим оценки рабочих температур и сравнение с максимально допустимой температурой:
TRi = 53 + 6,3 + 4,0 « 6Э°С < 125°С, <
TR, = 53 + 6,3 + 20,4 « 77°С < 125°С,
Гктз24 = 50 + 6,3 + 10,5 + 17,5 ж 84,3°С <85°С.
Таким образом, наиболее теплонагруженным из рассматриваемых электрорадиоэлементов является транзистор, его рабочая температура в самых неблагоприятных условиях лишь немного меньше предельно допустимой.
В рамках допущений ориентировочного расчета можно сделать вывод, что для данной ИМС температура внешней среды 50° С является предельно допустимой.
В том случае, если тепловой расчет покажет необходимость принятия конструктивных мер для снижения перегревов элементов и компонентов ИМС, в первую очередь уменьшают тепловые сопротивления за счет использования материалов с более высокими коэффициентами теплопроводности: поликоровых подложек вместо ситалловых, компаундов с наполнителями в виде пылевидных кварца или кремния, увеличивающих коэффициент теплопроводности компаундов до 0,5—0,8 и до 1,9—2,4 Вт/(м-°С), вместо клеев с коэффициентами, равными 0,2—0,4. Следующим шагом для облегчения тепловых нагрузок ИМС является перемещение мощных тепловыделяющих элементов с платы на металлическое основание корпуса. Результатом такого изменения конструкции ИМС является исключение теплового сопротивления подложки и слоя компаунда в цепи передачи теплоты мощных элементов. Дальнейшее снижение
тепловых нагрузок связано с мерами по обеспечению более интенсивного теплообмена корпуса ИМС с элементами конструкции узла или блока, вплоть до применения жидкостного охлаждения теплоотводов и термоэлектрических холодильников.
Особенность теплового расчета полупроводниковых ИМС заключается в том, что полупроводниковый кристалл можно рассматривать как единственный тепловыделяющий элемент и считать, что суммарная мощность источников теплоты в нем равномерно распределена в приповерхностном слое. Эта особенность вызвана в первую очередь высоким коэффициентом теплопроводности кремния [80— 130 Вт/(м-°С)], малыми размерами элементов и небольшими расстояниями между элементами полупроводниковой ИМС. Экспериментально установлено, что разброс температур на поверхности кристалла невелик (единицы или доли градуса).
Температура элементов полупроводниковой ИМС
^э=^ + 0к + 0кр+евн. (5.10)
Условие обеспечения нормальных тепловых режимов записывается в виде
7"э=Л:п1ахТ ©к 4" &'кр+ ^вн ^^тахдои, (5-11)
где 0кр — перегрев кристалла относительно подложки или основания корпуса.
Пример. Оценить рабочую температуру элементов полупроводниковой ИМС, потребляющей мощность 0,2 Вт, размещенной в металлостекляниом круглом корпусе с использованием эвтектического сплава. Диаметр основания корпуса 15 мм. Условия эксплуатации: Тс тах= 125° С, охлаждение корпуса осуществляется кондукцией через тонкий воздушный промежуток.
При установке кристалла непосредственно на основании металлостеклянного корпуса эвтектической пайкой /in = 0, hK = 0, согласно (5.1) /?г = 0, вкр=0 и согласно (5.7) и (5.8)
0К = 0,2/(3-102.3,14.7,52.10-6) = 3,7°С,
ввн = ^Гвн^=*кР^/Хкр= (0,2-Ю-з.0,2)/80 = 2,5-10-6.0,2 « 0,
125+3,7 к 129°С< 150°С.
Можно оценить максимальную мощность, которую мог бы потреблять кристалл ИМС в данных условиях, сохраняя свою работоспособность:
Т'тахдоп — П тах = 0К == Ртах/(3- 1Q2-3,14.7,52.10~6).
Поскольку вКр = 0, 0вн ~ 0,
Лпах = (15Э— 125).3-102-3,14-7,52.1Q—6 ~ дз Вт.
§ 5.4. Обеспечение влагозащиты ИМС
Общая характеристика окружающей среды и влагостойкости герметизирующих материалов. Необходимость влагозащиты ИМС возникает при использовании герметизирующих конструкций, изготовленных с применением органических полимерных материалов (см. рис. 5.14, 5.21 5.23). В отличие от неорганических эти мате-
Рнс. 5.28. Содержание паров воды в воздухе при различных температурах а относительной влажности (1 — 100%; 2 — 90%; 3 — 85%; 4 — 80%; 5 — 70%;
5 — 65%; 7 — 50%; 8 — 40%)
риалы обладают повышенными значениями влагопоглощения и вла-гопропицаемости.
Окружающий воздух практически всегда представляет собой паровоздушную смесь. Содержание паров воды в воздухе при различных температурах определяется из рис. 5.28.
Количество поглощенной герметизирующей конструкцией из воздуха влаги М увеличивается с повышением парциального давления паров воды рн2о (закон Генри):
М = Грн2о, (5.12) где Г — коэффициент растворимости.
Коэффициент Г (с2/м2) определяет количество влаги, которое способен поглотить материал в данных климатических условиях. Скорость процесса поглощения влаги материалом определяется коэффициентом диффузии молекул воды D (м2/с) в материале. Коэффициент влагопроницаемости В (с) характеризует способность материала пропускать влагу и определяется количеством воды, прошедшей через мембрану из этого материала при наличии разности давлений паров воды по обе стороны мембраны. Коэффициент В отражает процесс выравнивания концентраций влаги в двух объемах, разделенных мембраной из испытуемого материала и имеющих в начальный момент различные концентрации влаги.
Коэффициенты В, D и Г связаны между собой соотношением
В=ПГ. (5.13)
Значения коэффициентов В, D и Г различных герметизирующих полимерных материалов приведены в табл. 5.7.
Зная значения влажностных коэффициентов, можно расчетным путем оценить влагозащитные свойства материалов и герметизирую’ щих конструкций на их основе.
Исходные данные для обеспечения влагозащиты ИМС. Исходные данные для расчета влагозащиты микросхем: Тс — температура окружающей среды, К; ф— относительная влажность окружающей среды, %; ро — парциальное давление паров воды окружающей среды, Па; рКр — критическое давление паров воды, приводящее к отказу ИМС, Па; 5 — площадь герметизирующей оболочки, через которую влага диффундирует в корпус, м2; d — толщина герметизи-
Значения влажностных коэффициентов различных герметизирующих полимерных материалов
- Влажностные коэффициенты
Материал В, с D, м’/с Г, с’/м’ Назначение материала
Фторопласт-4 Полиэтилен 1 • ю-18 6,27-10-18 8,34-10~“ 6,4-10-“ 12,0-10-5 9,8-10-*
Полистирол 4,22-10-15 3,32-10““ 12,6-10-»
Пластмасса 1,66-10-“ 8,34-10-“ 2,0-10-» Полый пластмас-
К-124-38 8,3-10"4 совый корпус
Пластмасса В4-70 2,5- 10"“ 3,06-10-“ То же
3,25-10"4
Компаунд 2,08- 10“1в 6,4-10-“ Герметизация за*
ЭК-16 <Б> ливкой, рис. 5.21— 5.23
Кремнийорга-нический эласто- 8,2-10-15 8,2-10-“ 1,0-10-» Герметизация за* ливкой
мер Компаунд ЭКМ 4,Н0-1« 7,1-10““ 5,77-10-4 Бескорпусная 1 корпусная гермети-
зация полупроводниковых ИМС, рис.
5.24, а
Прессматериал 1,83-10-“ 6,1-10-“ 3,0-10-* Корпусная герме*
ЭФП-63 тизация, рис. 5.14
Прессматериал К-81-39с 3,5-10-“ 8,0-10-“ 4,37-10-* То же
Порошковый 8.0-10-18 1,14-10-“ 7,0-10"* Бескорпусная гер-
компаунд ПЭП-177 метизация толсто- пленочных ГИС вихревым напылением
Тиксотропный 8,5-10-“ 1,5-10-“ 5,7-10-* Герметизация тол-
компаунд Ф-47 стопленочных ГИС обволакиванием
Тиксотропный компаунд ЭК-91 б,о-ю-“ 3,0-10-“ 2,0-10-* То же
Таблетируемый 7,8-10~18 2,1-10-“ 3,7-10-* Герметизация за-
компаунд ПЭК-19 ливкой, рис. 5.21— 5.23
Эмаль ЭП-91 7,0-10-“ 1,08-10-“ 6,5-10-* Бескорпусная гер-
метизация полупроводниковых ИМС,
Эмаль КО-97 рис. 5.24, а
8,2-10-18 1,1-10““ 7,45-10-* То же
Лак УР-231 5,2 -10-18 3,5-10-“ 1,48-10"* Бескорпусная гер-
Лак ФП-525 метизация тонко- пленочных ГИС
4,5-10-“ 1,18-10-“ 3,8-10-* То же
Клей ВК-3 Клей ВК-9 2,9-10-“ 8,0-10““ 3,6-10-* Г ер метизация корпусов клеевым швом
3,3-10-“ 6,5-10-“ 5.G3-I0”* То же
рующсй оболочки, м; V— внутренний объем корпуса, в котором происходит растворение влаги, м3; В — коэффициент влагопроница-емости герметизирующей оболочки, с; D — коэффициент диффузии молекул влаги в герметизирующей оболочке, м2/с, Г — коэффициент растворимости влаги в материале, окружающем ИМС, с2/м2.
Рассчитывают время влагозащиты ИМС т, с, в течение которого обеспечивается безотказная работа ИМС. Влагостойкость ИМС оценивают из расчета влияния влаги на самый чувствительный к ее воздействию элемент или компонент ИМС.
Влагостойкость полых корпусов. Корпусы, имеющие свободный внутренний объем, называются полыми. Влагозащита таких корпусов оценивается временем т, в течение которого давление паров воды внутри корпуса достигает критического значения ркр, при котором наступает отказ ИМС:
г = г04-ги (5.14)
где то — время увлажнения материала оболочки; ti — время натекания влаги во внутренний объем корпуса.
Значение то зависит от толщины оболочки d и коэффициента диффузии D молекул воды в материале оболочки:
r0=^2/(6L>). (5.15)
Формула предполагает, что насыщение материала влагой осуществляется только путем молекулярной диффузии в оболочку корпуса. Обычно то следует учитывать при толщине оболочки корпуса d>Q, 1 мм.
Время натекания влаги
г,=^-1п(-------£1—). (5.16)
BS \ Ро — Ркр )
Тогда время т составит
1п(—а—U-2*-.
BS \ Pq рк? ) QD
(5.17)
В большинстве случаев внутри полых корпусов находится воздух, который обладает определенной влажностью. Если в начальный момент времени в корпусе ИМС имеется влага с парциальным давлением рп, то с уменьшается:
КГйГ . Г ^о.(Ркр —Рн) . dP 1ОЧ
г =------1 п -------------------- -j------. (о. 1 о)
BS (Ро — Ркр) (Ро — Рн) В
В формулах (5.16) — (5.18) Г — коэффициент растворимости влаги в воздухе, равный 7,4-10-6 с2/м2.
Если для герметизации ИМС выбран стандартный пластмассовый или металлополимерный корпус, то время влагозащиты рассчитывают, исходя из влажности внешней среды в условиях хранения и эксплуатации ИМС и давления рКр- В зависимости от чувствительности к влаге элементов ИМС значение ркр можно принять
равным 0,85—0,95 р0, так как при этих значениях ркр влага приводит к внезапному или к постепенному отказу ИМС.
Пример. Определить время влагозащиты ИМС в металлополимерном корпусе при 7=293 К, У=2-10“7 м3, <7=3- 10“э м, 5 = 5,3-IO-8 м2. Использован заливочный компаунд ЭК-16 «Б».
Определяем время насыщения влагой компаунда по (5.15):
(3-10-3)2
т0 = -------—- = 2,26- 10sс « 26 сут.
0 6.6,4-10-13 J
Полагая, что в начальный момент влага внутри корпуса отсутствует, находим время накопления влаги внутри корпуса до давления паров по (5.16), используя данные табл. 5.6:
2-10-7-7,4-10-6-3-IO"3
5,3-10-6-2,08-10-16
Inf--------^ = 12,1-106 ss 140 сут.
U —о,95/
Сбщее время влагозащиты
и = 26 4- 143 = 166 сут.'
Если внутри корпуса содержится некоторое количество влаги, например рн = 0,5ро, и по-прежнему рКр=О,95ро, то время диффузионного натекания влаги
2-10-7-7,4-10-6.3.10-3
Т1 = 5,3.10-6-2,08-10-16 "
1(0,95 — 0,5)
(1 -0,95)(1 —0,5)
= 11,65- IO6 с « 135 сут.
Общее время влагозащиты
-0 = 26+ 135= 161 сут.
При заполнении внутреннего объема корпуса кремнийорганическим эластомером, имеющим коэффициент Г= 1 • 10“3 с2/м2, при Ркр = О,85ро время натекания влаги
2-10-7-10-3-3-IO-3 / 1 \
t = |П ----!--- = 10,2-108 с 1180 сут « 32,3 года.
1 5,3-10-6-2,08-10-6 \ 1—0,85/
При рн = О,5ро
t _ 2' Ю~7-Ю~3-3-Ю-3 । 1(0,85 — 0,5) _
Х1 = 5,3-10-6.2,08-10-6 П (1— 0,85) (1—0,5) ~ ,
= 8,35-108с а; 9700 сут « 24,5 года.
Приведенные расчеты предполагают отсутствие пор, трещин в герметизирующем материале и других путей ускоренного поступления влаги в корпус. Путем ускоренной диффузии влаги может произойти поверхностная диффузия по границе раздела выводов с герметизирующим покрытием, что уменьшает время т.
С другой стороны, расчет не учитывает явлений адсорбции влаги на внутренних стенках полого корпуса, которые должны повысить т. Тем не менее в приведенном примере герметизация с использованием эластомера удовлетворяет ТУ на срок хранения ИМС.
Влагостойкость монолитных корпусов. Потеря работоспособности ИМС, герметизированных в монолитные .корпусы (см. рис. 5.14), вызывается поглощением герметизирующим материалом влаги и увлажнением поверхности ИМС. При достижении критической концентрации, соответствующей критическому давлению ркр паров воды, наступает отказ ИМС. Время, в течение которого на поверхно
сти ИМС достигается критическая концентрация влаги, определяют из выражения
4</2; .Гл2 /. Ркр
х=---------—In —— 1--------------. (5.19)
л2£> L 8 \ Pq /J
Как видно, оно определяется толщиной герметизирующего материала, коэффициентом диффузии молекул воды в нем и отношением ркр!рь- Формула (5.19) предполагает, что с поверхностью ИМС полимер имеет слабую адгезию.
Пример. Определить минимальную толщину монолитного пластмассового корпуса, обеспечивающего безотказную работу ИМС в течение 30 сут при ркр=» =О,9ро. Материал корпуса — пресспорошок ЭФП-63.
Из (5.19) и табл. 5.6 находим
/ 3,142-33.2,4-3630-6,1-10-13
|/ 41п[3,142/8(1 — 0,9)]
— 1,36-10-3 м = 1,36 мм.
Герметизирующая оболочка такой толщины обеспечивает требуемую влаго* защиту при отсутствии в ней дефектов.
Глава 6
АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНСТРУИРОВАНИЯ ИМС
§ 6.1. Специализированная система автоматического проектирования топологии ИМС
Разработка топологии современной ИМС является сложным и трудоемким процессом. Конечный результат часто зависит от интуиции и опыта разработчика, которому приходится создавать и анализировать многие варианты топологии для выбора окончательного решения. В этом окончательном варианте должны быть учтены в соответствии с ТЗ одновременно схемотехнические требования, конструктивные и технологические ограничения, которые часто противоречат друг другу. Конструктору приходится проводить многократные проверки разработанной технической документации. Использование программно-управляемого оборудования в производстве ИМС (например, фотонаборных установок для изготовления фотошаблонов) требует подготовки больших массивов информации, так как даже в одном слое современной БИС содержится до 50 тыс. координат точек. Без средств вычислительной техники выполнить весь объем работ затруднительно, а в ряде случаев и невозможно. С другой стороны, труд разработчика, как и всякий творческий процесс, трудно поддается формализованному описанию и требует очень сложного программного обеспечения. Это в свою очередь вызывает необходимость использования вычислительных машин, обладающих большой памятью и быстродействием.
Оптимальным вариантом решения задач конструирования явилось создание систем автоматического проектирования (САПР) с участием разработчика, в которых разработка топологии ИМС ве-184
дется в форме «диалога» человека с машиной. Применение САПР во много раз повышает эффективность труда разработчика, позволяет свести к минимуму возможность появления ошибок, а также более полно использовать творческий потенциал разработчика, освобождая его от рутинного труда. В системах автоматического проектирования предусмотрен ввод и вывод информации в форме, удобной для разработчика, не являющегося специалистом в области программирования. Хранение исходной, промежуточной и окончательной информации и выдача ее разработчику производится на любом этапе работы. Система контролирует действие разработчика и оперативно информирует его о допущенных ошибках. Примером такой «диалоговой» системы, предназначенной для автоматизации проектирования гибридных и полупроводниковых ИМС и БИС, является отечественная система «Кулон» (рис. 6.1).
Рис. 6.1. Программно-аппаратный комплекс системы «Кулонэ
Система обеспечивает выполнение следующих функций:
ввод графической информации с топологического чертежа, геометрия элементов которого представляет: прямоугольник со сторонами, параллельными осям кородинат; прямоугольник со сторонами, имеющими наклон относительно осей координат; многоугольник со сторонами, параллельными одной из осей координат или образующими угол 45° с осями; описание проводников заданной ширины (трассировка); формирование библиотеки элементов тополо
гии; отображение вводимого фрагмента топологии на экране графического дисплея;
перемещение, стирание, копирование, повороты и зеркальное отображение фрагментов топологии с помощью графического дисплея; проверку минимальных расстояний
Рис. 6.2. ЭВМ «Электроника 100-25»
между элементами топологии в одном и в разных слоях;
вывод топологической информации на графопостроитель;
формирование массива координат точек для изготовления фотошаблонов.
Для оперативного ввода и вывода информации служат два поста операторов. Каждый пост имеет в своем составе пульт управления и контроля, символьный и графический дисплеи, устройство управления положением маркера (светового знака) на экране графического дисплея, полуавтомати-
Рис. 6.3. Внешнее запоминающее устройство ЭВМ
ческий кодировщик графической информации. Все эти устройства сопрягаются с ЭВМ «Электроника 100-25» (рис. 6.2) через интерфейсный блок.
Ввод информации в систему может производиться в цифровой
или текстовой форуме, а также в виде координат точек с топологического чертежа.
Вывод результирующей графической информации производится с помощью автоматического графопостроителя в виде топологических чертежей слоев ИМС на бумаге. Возможен также вывод результирующей информации в виде массива координат точек заданного слоя топологического чертежа с помощью мозаичного печатающего устройства DZM-180 на языке генератора изображений. Эти данные являются исходными для фотонаборной установки автоматизированного изготовления фотошаблонов слоев ИМС и БИС.
Рис. 6.4. Пульт управления и конт- Рис. 6.5. Символьный дисплей роля
Программно-аппаратные средства системы «Кулон» позволяют одновременно работать двум разработчикам, проектирующим различные ИМС. В течение определенного времени каждый разработчик получает необходимые для проектирования ресурсы системы. Работа строится на приоритетной основе в режиме разделения времени и позволяет обеспечить более полную загрузку системы и повысить эффективность работы ЭВМ.
ЭВМ «Электроника 100-25» (см. рис. 6.2) имеет оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) емкостью 32 К 16-разрядных слов (64-103 байт данных) и внешнее запоминающее устройство (рис. 6.3), в котором записана и хранится библиотека элементов и фрагментов топологии ИМС. Запись и считывание информации во внешнем запоминающем устройстве (ЗУ) могут производиться с магнитных лент и магнитных дисков.
ЗУ на магнитных лентах представляет собой устройство с последовательным доступом к информации, поэтому время, необходимое для выборки нужной информации, достаточно велико (несколько минут). Преимуществом ЗУ на магнитных лентах является большое количество хранимой информации (емкость ленты 107 байт) и сравнительно низкая стоимость ленты.
ЗУ на магнитных дисках является устройством с произвольным доступом к информации. Время обращения практически не зависит
от места расположения нужной информации и составляет не более 2 с. Дисковые ЗУ имеют емкость 2,5-106 байт данных.
Для управления работой всей системы служит пульт управления и контроля (рис. 6.4).
Символьный дисплей (рис. 6.5) выполняет в системе роль терминала и используется для ввода и вывода текстовой и цифровой информации, а также специальных знаков. Дисплей имеет внутреннюю память и является автономным устройством, работающим независимо от ЭВМ, связь с которой осуществляется только на время приема и передачи данных.
Графический дисплей (рис. 6.6) служит для наблюдения топологии или ее фрагментов. В графическом дисплее с размером рабочего поля экрана 162x210 мм используется электроннолучевая трубка с запоминанием, что позволяет удерживать неподвижным на время до 15 мин четкое изображение элементов топологического чертежа с толщиной линий не более 0,8 мм.
Рис. 6.7. Полуавтоматический кодировщик графической информации ЭМ-719
Рис. 6.6. Графический дисплей с устройствами управления положением маркера на экране ЭМ-729
Получить изображение на экране графического дисплея можно с помощью устройства управления положением маркера, полуавтоматического кодировщика графической информации (рис. 6.7) либо вызвав соответствующий фрагмент топологии из памяти ЭВЛ4.
Устройство управления положением маркера (см. рис. 6.6) располагается рядом с дисплеем и представляет собой планшет, имитирующий рабочее поле экрана дисплея. По поверхности планшета
разработчик вручную перемещает головку датчика перемещения (курсор) и одновременно наблюдает изображение на экране графического дисплея. Данные о топологии с графического дисплея передаются в ЭВМ.
Ввод графической информации в систему предварительно разработанного «вручную» топологического чертежа производится с помощью кодировщика графической информации (рис. 6.7). Это устройство типа чертежного координатного прибора с размером рабочего поля 1100Х 1500 мм, к поверхности которого прикреплен чертеж, выполненный на бумаге или кальке с прецизионной координатной сеткой с шагом не менее 2 мм. Описание топологии производится путем совмещения перекрестия курсора с характерными точками фигур топологии и фиксации оператором координат этих точек. Так, например, прямоугольник со сторонами, параллельными осям координат, описывается двумя диагонально расположенными
Рис. 6.8. Графопостроитель ЭМ-7022
точками его вершин, прямоугольник со сторонами, имеющими наклон относительно осей координат, — тремя точками и т. д. Погрешность фиксации координат точек не более ±0,15 мм.
Координаты характерных точек запоминаются в ЭВМ и одновременно изображение фигур высвечивается на экране графического дисплея для визуального контроля.
Для вывода результирующей графической информации разработанной топологии ИЛ1С на чертежную бумагу или безусадочную кальку используется графопостроитель планшетного типа ЭМ-7022 (рис. 6.8) с размерами рабочего поля 1200X1600 мм. По поверхности планшета в двух взаимно перпендикулярных направлениях перемещается каретка с пишущим узлом. Одновременное перемещение каретки в двух взаимно перпендикулярных направлениях позволяет вычерчивать кривые и окружности из отрезков линий под углом 45° с усредненным шагом перемещения не более 0,1 мм и погрешностью установки координат не более ±0,15 мм. Управление работой двигателей перемещения каретки с пишущим узлом осуществляется ЭВМ в соответствии с описанием топологии в памяти машины.
§ 6.2. Работа с системой «Кулон»
Разработку топологии ИМС начинают с расчета ее элементов, после чего выделяют отдельные элементы и фрагменты, которые встречаются неоднократно. Как правило, в современной БИС можно выделить 15—20 фрагментов, причем один и тот же фрагмент может иметь несколько конструктивных решений. Каждый фрагмент представляет собой набор фигур (контуров) из отрезков прямых линий, параллельных осям координат или имеющих наклон к ним под углом 45°, и описывается координатами его характерных точек.
Библиотека отдельных элементов и фрагментов, как ранее, так и вновь разработанных, хранится в памяти ЭВМ.
Исходная информация вводится в систему либо с предварительно разработанного «вручную» топологического чертежа, либо в виде изображения топологии или ее фрагментов, которое «рисует» разработчик на экране графического дисплея, обращаясь к библиотеке фрагментов топологии. Связь разработчика с системой осуществляется через терминал (символьный дисплей) пульта оператора. По результатам предварительного размещения и анализа топологии система выдает данные разработчику на ее корректировку, после чего в соответствии с функциональными возможностями производит доработку и контроль топологического чертежа на соответствие принципиальной электрической схеме и конструктивно-технологическим требованиям и ограничениям. Одновременно описание топологии в виде массива координат точек заносится в память ЭВМ. Программное обеспечение системы позволяет получить данные о топологии на любом этапе в удобном для разработчика виде: на экране графического дисплея, в виде чертежа на бумаге или массива координат.
На этапе разработки топологии производится:
создание такого взаимного расположения элементов и компонентов, при котором пересечения проводников отсутствуют или их число минимально;
построение конкретного размещения элементов и компонентов ИМС с учетом корректировки, а также схемотехнических и конструктивно-технологических ограничений;
вычерчивание совмещенного чертежа топологии ИМС, представляющего собой совокупность всех слоев, а также послойных топологических чертежей;
формирование массива координат угловых точек топологии ИМС для изготовления комплекта фотошаблонов.
Конечный результат разработки топологии выдается с графопостроителя в виде совмещенного топологического чертежа всех сло-
Рис. 6.9. Топология проводящего слоя тонкопленочной ГИС на фотошаблоне, спроектированная с использованием системы «Кулон»
ев ИМС, а при необходимости — и послойных чертежей. Описание топологии в виде массива координат точек отдельных слоев, полученное на перфоленте или в другом виде, используется в фотонаборной установке для изготовления комплекта фотошаблонов.
Пример топологии проводящего слоя ГИС на фотошаблоне, спроектированной с помощью системы «Кулон», приведен на рис. 6.9.
§ 6.3. Использование ЭВМ для расчета элементов ГИС
Один из наиболее трудоемких этапов на начальной стадии раз работки ИМС — расчет геометрических размеров резисторов и конденсаторов, количество которых в одной схеме может быть велико. Использование ЭВМ типа ЕС-1020 позволяет значительно сократить время вычислений, а также провести анализ вариантов топологии при использовании различных резистивных или диэлектрических материалов. Приведем программы на языке ФОРТРАН-IV с примерами распечатки результатов расчетов тонко- и толстопленочных резисторов и конденсаторов. Программы тонкопленочных резисторов и конденсаторов составлены по расчетным формулам гл. 3, программы толстопленочных резисторов и конденсаторов — по расчетным формулам гл. 4.
На рис. 6.10—6.13 представлены структурные схемы перечисленных программ.
Для того, чтобы воспользоваться программой расчета тонкопленочных резисторов, приведенной на с. 194, нужно сначала по формуле (3.1) определить оптимальное сопротивление квадрата резистивной пленки, затем по табл. 3.4 выбрать резистивный материал, параметры которого ввести в исходные данные программы. В процессе вычислений по программе определяются топология резисторов, их геометрические размеры и суммарная площадь. Пример распечатки результатов в виде таблицы приведен на с. 197, список идентификаторов, использованных в программе, — на с. 198.
Программа расчета тонкопленочных конденсаторов на с. 200 позволяет проверить правильность выбранного материала диэ7* трика, определить топологию, геометрические размеры и су\ ную площадь диэлектрика всех конденсаторов. Пример распечах. результатов расчета приведен на с. 201, список идентификаторов, использованных в программе, — на с. 202.
Чтобы воспользоваться программой расчета толстопленочных резисторов, нужно разбить резисторы на группы в соответствии с рекомендациями гл. 4, для каждой группы определить оптимальное удельное сопротивление квадрата резистивной пленки по формуле (4.2), затем выбрать по табл. 4.2 резистивные пасты. Программа на с. 204 позволяет определить правильность выбора паст, топологию, геометрические размеры и суммарную площадь всех резисторов. Там же приведен список идентификаторов, использованных в программе.
Программа расчета толстопленочных конденсаторов составлена таким образом, что не требует предварительного выбора материала диэлектрических паст, а в процессе вычислений выбирается паста, определяется топология, геометрические размеры и суммарная площадь диэлектрика всех конденсаторов. На с. 206 приведен список идентификаторов, использованных в программе.
193
Программа расчета тонкопленочных резисторов
dos/es fortran iv v.m г.г Mainpcm DATE 21/05/
0001 real l>l> .n,h,lcp,ls,l$i 0002 REAL ITO >LmO.LR 0003 DIMENSION R(100),P(100),Z(100) C С РАСЧЕТ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ РЕЗИСТОРОВ. С С R Т О N К С С ВВОД ДАННЫХ. 0004 REAO ( 1,7)ВТ EX,RO,PY1A,B,C,D 0005 WRITE <3,12IR0,PT 0006 Н R 1 т E 1 3,3 ) 0007 read(iis > к iH 00 08 ReAD(1i9)HR(1),P(11),I = 1,K) 000? SVK=Z- с СОРТИРОВКА 0010 DO 111 1=1,К 00 11 1 1 1 2 <1 I= R<I)/RO 0012 N9=K'l 0013 NB = N9 0014 DO 115 J=1,N8 0015 DO 114 1=1,N9 0016 IF (Z ( I )-Z (It 1) ) 112,112,113
0017 113 F1 = 2 <1’11 00 18 F2=R <I + 1) 001? F3=ptt+1) 0020 Z ( 1 ♦ 1) =Z 1 I ) 0021 R(1 + 1)=R 111 0022 P ( 1 t 1) =p ( I ) 0023 R11> = F2 0024 211)= F1 002 5 P 1 1)=F3 0026 112 CONTINUE 0027 114 CONTINUE 0028 ' N9=n9-1 0029 115 CONt1NUe c с определение первого Меандра. 0030 OO 77 1=1,К 0031 78 IF(ZI1)-10.) 77,77,76
0032 ' 76 NNN=I 0033 CO TO 80 0034 77 CONTINUE 0035 80 CONTINUE C
с формирование заголовка Таблицы результатов 0056 HR IТЕ(5, 9 99 1 1 00 37 WR1TE13,9 999 1 003 8 =. HR I ТЕ < 3,9 999 ) 0039 / HR IтE(3 , 9992 ) 0040 HR1 тЕ < 5 , "99 ) 0041 KRItE(3,9991) ' 0042 HR ITE< 3,9999 )
DCS/5 S FORTRAN iv V-H 2-2 f.AlNPCM daTe 21/05/81
0043 0044 0045 0046 0047 004 Э 2049 0050 005 1 0052 005 3 0054 005 5 0 0 5 6 0057 0058 0059 0060 006 1 0062 0063 0064 •0065 0066 0067 0068 0069 •0070 007 1 0072 «073 0074 007 5 «076 0077 0078 2079 0080 0051 00 = 2 0063 «0=4 «0S5 0066 0037 0088 «269 009 0 «09 ! 0 09 2 Г" C c 400 500 50 1 502 — 4 5 WRITE!3,9999) WRITE (3,9993) И R I ТЕ ( > , 9 9 9 9 > WR1 ТЕ < 3,999 1) ИРI ТЕ<3,99091 IF<Z <1>-10,) 400,400,500 HP I ТЕ < 3,10 1) WRITE (3,9994) HR IтE(3,9999 ) continue расчет топологии. ОС 6 r = i ,к IF(I. NE,NNN) co TO 5 0 t HR I те 13,102) W R 1 T E ( 3,9 9 9 4 ) HRIтE(3,9999) CONTINUE IP12(1>.GE.1.0) GOTO 5 £ 2 tTO=(A/Z <1> +81/0 IMO=5QPT <P( I> »Z I 1)/РГ) LR = At1AXpR(LTO,L>10,BTEX) I P = I N T (L 9 / H ) * H *H B=LR/Z(1) L1=lP»2.»C S=LR»B St=|_l»B U P 1 т E ( 3,9 9 9 9 J НЯ! TEI3, 10) I , R 11 ) . z (I) . P < I) ,B,LTD,LMO,BTEX,LRiLbS»Sf W R I T E 1 3 , 9 9 9 9 ) CO TO 6 CONTINUE BTO= (A »B/Z ( 1 ) )/0 вмо = 5ОРт(P(i)zpy/z(1)) BR=AHAXdR(ВТО.ВНО.ВТЕХ) BP=INT(BR/H)•-*-IF (2 tI) .CT . 10)GOTOS L=BR«Z(I> (-1 = 1+2.*C S=L*BR SI=L1*BR W R I T E 1 3 , 9 9 9 9 ) W9ItE(3, 11)1, R(I>,Z (I) , P(t), BTOiBMO'BTEX.BR.LfLbSfSl WRITE!3,9999) SUmS=SUmS+S1 GOTOS NtSORt(0.0625’2(11/2.)-0.25 KFN=N+0.5 FN=KFN M=BP*|Z(1)-FN)/FN E=2.*FN»BR 5=2.*C*0R - — S2=E«M’S -
' ср=вй»1(I)
0124 9993 F0RHAT ( '+ '6Х > 'КОМ ', 9Х. 'НВТ 4Х i 'НМ <, ЗХ . 'ММ ' > ЗХ. 'ММ ' i 2Х» -
\ ♦'ММ'>ЗХ,'Мм'1ЗХ,'ММ',ЗХ,'ММ'.2Х<'ММ',ЗХ>'ММ'>3Х’'мН*ММ'.
*ЗХ,'ММ*ММ',ЗХ.'ММ’,4Х,'ММ',4Х,'ММ’, ?!< , 'ММ ')
0125 9994 FORMAT IX ,'I’> 1 12Х ,'I’).
0126 9999 F OR М АТ < I X , > I ' 2 X > ' I '6 X . ’ I '4 X » ' I ' 6 X , ' I ' 4 X t ' I ' 4Х , ' I ’ ЗХ , ' I '
*'4X.'I'4Xi'l'4X>'I'3X>'I'4X,'I'4X('l'7X.'I'7X>'I' *5Х - ' I ' 5х । 'I '5Х , 'I'4X>'I'3X> ' I '4Х > 'I ')
0127 END
Пример распечатки результатов расчета тонкопленочных резисторов
I I I NR I I I R I I I I I I I I I I I P(R) I ВТ0Ч IВ(р) I ВтX I 0 ILTO4IL(Р)ILTxI L I I I I I I I I I I I Ll I I I s I I I S1 I I I E I I I El I I I В I I . I I N [NOKI I I I OB I I
I КФ I
1 I
I I I I 1 I I I I l’ I i i I I I I I I I I I
I I ком I I МВТ I мм [ нм i MMI MM I MM I MM I MMI MM I MM I MM*MH I MM*MM I MM I MM I MM I I I MM I
1 I I I I i I I I J I i i I I I I I I I I I
I I I I I I I I I I I I КФ<=10-РЕЗИСТОРЫ типа i i ПОЛОСКА I I I I 1 I I I I I
I I I I I I 1 I I I I 1 I I I I I I I I I I
1 I I 1 4 I fl. I I 001 8.01 4.0010 . 16 10.161 . 1010.161 I I 11-2011 .48 1 0-20481 0.23681 1 1 I I I I [ I 1 I
I I I I5 I I I I 1 0. I 1 00110.01 I I I 5.0010 I i i • 16 J 0 . 16 I I i I I 1 I . 1010.161 I I I I I I Кф> 10-РЕЗИСТОРЫ ТИПА 1 г I I 1 1 11-6011 I I МеАНДР I .801 I I I 0.25601 I I 0.28801 I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I
I I I 2 & 1 60 I 1 00160,. 0] I 40.0010 I I .18J0.1&I .1010.191 1 1 I I I 4.00901 4.33391 1.901 I 2- 101 I 2-261 I 5.21 5.10 I I •171 I
I I 12’1 65- 1 t 00165.01 I 0.5010 I 1 •02[0.02i I I I I .1010. 101 I I I I I I I 1-22001 • T 1.31001 1-001 — I 1-201 / I 1.291 I 5 - 5 i 5. 10 I I •091 I
I I I ’ I I I I ’I I I I I I СУММА ПЛОМАДЕИ РЕ3ИСТОРОВ.$= 30.48
<о
Список идентификаторов, использованных в программе расчета тонкопленочных резисторов
ВТЕХ — минимальная ширина резистора, обусловленная возможностями технологии Ьтехн, мм (по формату 7.3).
RO — удельное сопротивление квадрата резистивной пленки рЯ| kOm/Q (по формату 7.3).
PY — допустимая удельная мощность рассеяния Ро, мВт/мм2 (по фор-мату 7.3).
А, В — погрешности геометрических размеров ДЬ, Д/, мм (по формату 7.3).
С — перекрытие резистора с контактной площадкой е, мм (по формату 7.3).
D — погрешность коэффициента формы укф (по формату 7.3).
К — число резисторов (по формату J3).
Н — шаг координатной сетки, мм (по формату 7.3).
R(J)—номинальное значение сопротивления R, кОм (по формату 7.3),
P(J) —мощность рассеяния Р, мВт (по формату 7.3).
S — площадь резистора, мм2.
S1—площадь резистора с учетом перекрытия с контактными площадками, мм2.
SUMS — суммарная площадь резисторов SSa, мм.
Z (J) —коэффициент формы К$.
В — расчетная ширина резистора драсч, мм.
ВТОЧ — ширина резистора из условия точности 6ТОчн, мм.
В(Р) — ширина резистора из условия выделения заданной мощности, Ьр, мм.
L — расчетная длина резистора I, мм.
Ы — полная длина резистора /Полн, мм.
N — число звеньев меандра, п.
NOK — округленное значение числа звеньев меандра.
М — ширина меандра В, мм.
Е — длина меандра L, мм.
Lcp — средняя длина меандра /СР, мм.
LSI —длина прямолинейной части меандра, мм.
S21 —площадь меандра после коррекции ее размеров с учетом изгибов, DB — коррекция ширины меандра ДВ, мм.
Е1—полная длина меандра с учетом перекрытия с контактными площадками, мм.
1
Рис, 6.11, Структурная схема программы расчета тонкопленочных конденсато-
ров
ьэ
0062
f
t
0063
0064
0065
0066 0067
0068 0069 0070
0071
16 format(' tan Дельта ааб= 1' ГАММА С РАБ=' > £12-5-, '
1/' LH= ' Е12.5 . ' ВН= i
S=',EI2.5/)
SUMS-SUMS + S 1 (I)
, E12.5 , LB = '
E12.5, ’
ЕРП=',Е12.5,
E12-51 ’ BB='iE12.5>
1О=',Е12.5<' BD=
Е12-5»
40
17
CO TO 4
WRITE(3,17)
FORMAT!' МАТЕРИАЛ
ДИЭЛЕКТРИКА ВЫБРАН НЕВЕРНО'/)
М= 1
4 CONTINUE
10 FORMEAu’18>CUyMNA ПЛО^АЕЙ КОНДЕНСАТОРОВ SUMS = ' , Е 12.5 ) end
Палмер распечатки результатов расчета
тонкопленочных конденсаторов
// ЕХЕС
С = 0.82000Е 02
TAN ДЕЛЬТд РАБ = -0.11328Е-01 ^н1'* "* ' LD = ’0 - 15000Е 01 BD= 0.15900
LH- 0.13000Е 01 ВН- 0.12900Е 01
иРЙ6= 0.63000Е 01 „7бА6БЕ%05 , 120ГАММА6С РАБ-- 0. 12000Е 00
СУММА ПЛОЩАДЕЙ КОНДЕНСАТОРОВ $0НS- 0.23850Е 01
LB- 0.90000Е 00
s= 0.23850Е 01
ВВ= 0.89000Е 00
Список идентификаторов, использованных в программе расчета тонкопленочных конденсаторов
К — количество конденсаторов.
C(J) —емкость конденсаторов С, пФ.
UP(J) —рабочее напряжение i7pae, В.
Е — рабочая частота /раб, Гц.
DL — погрешность линейных размеров ДА, ДВ, мм.
EPR —пробивная напряженность ЕПР, В/мм.
EPS — диэлектрическая проницаемость g.
G — относительная погрешность удельной емкости ус0.
GC — относительная погрешность изготовления конденсаторов ус-GCT — температурная погрешность изготовления конденсаторов.
RO — сопротивление квадрата материала обкладок ps, Ом/П-
TD—тангенс угла диэлектрических потерь tg б.
КЗ — коэффициент запаса электрической прочности Л'3.
Н — шаг координатной сетки, мм.
ТКС — ТКС (Х104) в диапазоне температур, 1/°С.
М — признак проведения корректировки.
DY — толщина диэлектрика d, мм.
SUMC — суммарная площадь конденсаторов SSc, мм.
GSD — допустимая погрешность площади Уадоп.
COV — удельная емкость исходя из электрической прочности Cov.
TGR— рабочий тангенс угла диэлектрических потерь tg6pae.
ERP — рабочая напряженность электрического поля Ераб> В/мм,
GCR — относительная погрешность Усраб . ' '
DT — температурный диапазон ДГ, °C.
СОТ — удельная емкость исходя из точности изготовления конденсатор Соточн, пФ/ММ2.
LB, ВВ — длина и ширина верхней обкладки конденсатора, мм.
LH, ВН — длина и ширина нижней обкладки конденсатора, мм.
LD, BD —длина и ширина диэлектрика конденсатора, мм.
Начало
Ввод исходных данны
Рис. 6.12. Структурная схема программы расчета'толстопленочных резисторов
// EXEC FFORTRAN
С
С РАСЧЕТ ТОлсТОПлЕНОцНЫХ РЕЗИСТОРОВ
С
REAL KF ,R ( 100) ,р ( 100) , $( 100)
READ ( 1, 90) М
90 poRNAT(I3) У
52=0.
DO & J=1fН
READ ( 1 , 1)К
read( 1 ,2) ( (R ( I ) , P ( I ) ) , 1 = 1 ,K)
READ ( 1,3)P0,ro,h,dh
1 FORMAT{I 3)
1 FORMAT(10F8.3 )
3 FORMAT(4F8.3)
WRIT£(3>98)R0>P0 98 FORMAT'//' ПДСТДГ RO= ' ,F8-3 , ' P0 =',F8.3//>
8 DO 77 1 = 1,К
KF=R I 1)/RO
IF<KF.LE.6--OR.KF.Ce.0.167)CO TO 107
PRINT 5
5 FORMAT!
1' ИЗГОТОВИТЬ РЕЗИСТОРЫ Из ОДНОЙ ПАСТЫ НЕЛЬЗЯ') \
СО ТО 6
107 Bp=SQRT<2.*Р(I)/KF/P0) __’ '
BpT=lFiX(ВР/Н)*Н*Н
BR-0 •8
I F(BPТ.СТ.0.8) BR = BPT
al=br*kf
AL 1= АL + 2.«ОН
S(I )= AL 1♦ВR
WR1 ТЕ (3>.4) R ( I ) ,Р (I ) ,BPT,BR , AL , AL1 ,S ( I )
4 FORMAT!' R=',F8.2,' P=',F8.2,' BR=',
F8-2,' B=',F8.2,' L=',F8.2.' Li=',FB.2i' S=',f8.2)
i 77 CONTINUE
) S1=0«
•' DO 7 1 = 1,К
। 7 S1 = S1 + S(I I
WRITE(3»9)SI
9 F0RMAT(//5X,'СУММА S=',F10.3)
S2=S2+S1
6 CONTINUE ' WR I ТЕ ( 3,97)52
97 F0RMaT(//' СУММАРНАЯ ПЛОЩАДЬ РЕЗИСТОРОВ S2=',F14.3)
ENO
Список идентификаторов, использованных в программе расчета толстопленочных резисторов
Rd) — номинал резистора /?<, кОм.
Г Р(1) — мощность, выделяемая на резисторе, Р<, мВт.
К — число резисторов в группе.
KF — коэффициент формы Кф.
’ М —число групп резисторов (резистивных паст).
' RO — сопротивление квадрата резистивной пленки ре, кОм/О.
f ‘ РО — удельная мощность Ро> мВт/мм2.
ВР — ширина резистора с учетом мощности Ьр, мм.
• BR —расчетная ширина резистора &расч, мм.
ВРТ —округленная ширина резистора, мм.
В — выбранная ширина резистора Ь, мм.
AL, L —длина резистора I, мм.
AL1, L1 —длина резистора с учетом перекрытия /Полв. мм.
S — площадь резистора, мм2.
Н — шаг координатной сетки с учетом масштаба чертежа, мм.
DH — величина перекрытия резистора и контактной площадки ДЯ, мм. S1 —общая площадь резисторов, изготовляемых из одной пасты, мм®. S2 — общая площадь резисторов, мма.
Рис. 6.13. Структурная схема программы расчета толстопленочных конденсаторов
// exec ffortran
’ расчет толстопленочных конденсаторов DIMENSION C115I
BEAD!1,2)К
\ 00 4 I = 1, К
4 READ<1,110(1)
2 FORMAT(12)
1 FQRMaT(F5.0)
‘ Ct=37.
02=100.
00 = 200.
s = 0.
00 5 Ы,к
CX = C1
IF (С I 1)-СТ.С0)СХ = С2
BzSttRT IС I I)ZcX)
; BB = 0 . I*A I NT < 10 . *0)
BX=B-BB
IF(ЙХ.GT.0,05)80=88+0>1
SA=BB**2.
BH=B0+0.6
MO
SH=BH**2.
80=88+1,0 S0=90»»2 .
WR1ТЕ(3 »3)C(I J.CX,SB)SB)BH>SHiBD,$D
3 FORMAT! 2X.'2HC=)F5.0.5x,'3HC0=')F4.0,5X,,3HLB = ' F5.2,fv ЧНсй-'₽7 «SX,3HLH=,F5,2,5x,-3HSH=',F7.2,5x.’3HL0=',F5,2.5x,'3hSD-^7H21'’F7,2
5 S=$*$0 1
WRJТЕ(3 >6)S
6 FORMAT!12X,'СУММА SD ' ,F8.2.) stop
END
Список идентификаторов, использованных в программе расчета толстопленочных конденсаторов
С(1) — емкость конденсатора С<, пФ.
К — число конденсаторов.
С1==37 пФ/мм2 — удельная емкость пасты ПК 1000-30.
С2=100 пФ/мм2 —удельная емкость пасты ПК-12.
CD = 200 пФ —контрольное значение емкости.
СХ, СО — удельная емкость пасты, пФ/мм2.
BB, LB, SB —ширина, мм; длина, мм; площадь верхней обкладки, мм2.
ВН, LH, SH — то же, для нижней обкладки.
BD, LD, SD — то же, для диэлектрика.
СУММА SD —суммарная площадь конденсаторов, мм2.
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ I
Примеры выполнения конструкторских документов
Процесс проектирования ИМС заканчивается оформлением конструкторско-технологической документации. Она включает в себя основной комплект документов, комплекты документов на составные части ИМС, инструкции по эксплуатации ИМС, ведомости-спецификации, ведомости покупных изделий, формуляр и паспорт ИМС и др. В основной комплект документов входят принципиальная электрическая схема, функциональная схема, сборочный чертеж, чертеж общего вида топологии, послойные топологические чертежи, чертеж структуры эт’ '.ентов ИМС.
Пример 1. Комплек. конструкторских документов на полупроводниковую ИмС, выполненную пс планарно-эпитаксиальной технологии (см. рис. на с. 207—212).
Микросхема Схема эмкгрическая\ принципиальная
•йстда?! цепь
Уг '^Питание
Контакт цепь
8 выход
Контакт Цепь
7 Общий
00М3.0 88.... 33
Липу fMK&T/WXwaz
ЗкЗ । мсМИВ.
"i л
320
300
JOO-
50-90
30
20
10
Таблица 1
Элементы структуры Толщина, МКМ Тип зпентро-проводности Используемый материал Р,Ом/а
наименование Обозначение наименование, марка гост, ост, ти
базовая область к, 2,2 ±0,3 Р Бортрехбро-мистыйшЮ'Ч ...ТУ 200±20
Змиттёрная область нг. 1,6 ±0,3 п ± Фосфор трех-бронистый... ...ту 3,5±1,5
Скрытый слой "з 3,5±1,5 п+ Трехокись сурьмыхч МРТУ... 25±5
Разделительная область 10±2 р* Бор ipexbpo-м истый... ...ТУ 6±Ч
Зпитаксиаль -ный слой Н5 6,5±2 п кремниебые зпитаксшь' ныеатоы ...ту -
Проводники и коя-такгные площадки "о Т,2±0,1 — Алюминий - не более 0,005
Пленка диэлектрика *7 0,6±0,05 — Двуокись кремния - —
Пассивация Не 0,8±0,1 — Тй ЖЕ — —
1. Все размеры на чертеже даны в мкм. >
2. Характеристики и данные по изготовлению отдельных слоев приведены В тадл. 2,
3. Нумерация контактных площадок и обозначение элементов показаны успобно.
102030^050
100
150
200
250
I,. л. 4. к - фигура совмещения. зЬо kJ 350360
900
Вид на спай, металлизации
Таблица координат точен
$1
300*
12
5
|Ьг~~~
68
Квор Зипо ты. мм
I О О 360 360 50 50 108 108 117 117
каораи -на.тьк мкм
1. * Размеры для справок.
2. Конструктивное исполнение по чертежу оом7.344... лист 1.
изи hug Разрой. Проб. г контр.
nodri
н.какгр.
О 0___
320 320 О 45 85 85 118
118 75 Я5~
I
о___
о 800 800 100 100 270 270 282,5 282,5 225
У о____
800 800 О 112,5 212,5 212,5 285 285 187,5 112,5
Примечание
173^1330 I 20 1825 150 |
00М7.ЗЩ...
Кристалл
лит.
масса
масшт.
зоол
Лист 6 | листов 8
212
Пример 2. Комплект конструкторских документов на толстопленочную ГИС, состоящий из: спецификации микросхемы, сборочного чертежа, принципиальной электрической схемы, спецификации на элемент, сборочного чертежа элемента, топологического чертежа платы, чертежей деталей (вывода и платы) (см. рис. на с. 214—220). На сборочном чертеже микросхемы в качестве разъяснения тонкими линиями показана часть вывода, отделяемая в процессе сборки микросхемы. Топологический чертеж выполнен на девяти листах, три из которых приводятся, в том числе приводится чертеж топологии обратной стороны платы. Таблицы координат элементов должны быть выполнены в виде отдельных документов. ••
Пример 3. Схема электрическая принципиальная и топологический чертеж платы тонкопленочной гибридной микросхемы (см. рнс. на с. 221—224). Схема электрическая принципиальная выполнена как групповой документ. Каждый вариант исполнения может быть получен путем изменения номиналов конденсаторов, резисторов и транзисторов, а также исключением связей между отдельными элементами. Топологический чертеж платы также выполнен групповым документом. Варианты исполнения получаются при разрезке проводников, соединяющих отдельные элементы на плате.
Позиционное обозначение Наименование 1 Примечание
R, Резистор22к0м±30°/0 30мВт 1
” 22кОм±ЗО % 10 мВт 1
Рз ” 10к0м±- 30% 5мВт 1
Ru " 150 Ом ±25% 10 мВт 1 —
” 22к0м±30% 10мВт 1
Rs ” 10к0м±30% 5 мВт 1
r7 ” 2,2к0м±30% 90мВт 1
С, ” 1,5к0м±30% 5мВт 2
Конденсатор 430пФ ±30%Up= 12В 1
Сг ” 82пФ±30% ир-12В 1
Cj ” 430пФ±30% Up=12В 1
6-4 V, 82 пФ ±30% ир=12В 1
Т,...\ Транзистор KT359 А Б... ТУ 4
АБЗ. 410. 016. 33
язм
аист
Разраб. Проб, I контр.
Н‘дОКуМ.
Пода цата
Лит.
масса
масшт
н. контр
Утв.
Микросхема K224TCJ Схема электрическая принципиальная
О, лист! \листов !
4 места
10
0,1±0,05
Таблица 1
ьславное обозначение спая Наимено-’бание слоя Материал спая Электра-ческие хорактС' ристики Номер пистп чертежа
Наименова ние.марка ГОСТ, ОСТ, ТУ
Пробсднит,10н тактные площадка а нижнОе обкладки конденсатора Ласта ПП-3 ОСТ 11.073. 023 -74 8кО,КОма 3,4
Г"1 и Диэлектрик Паста ПКЮ00-30 ОСТ 11.073. 023-74 0^3700 пФ/см? 5
верхние обкладки конденсаторов Ласта ЛП-2 ОСТ 11. 073. 023-74 5 Ом/ъ 6
| | Резистор ныи спой паста ПР-100 ОСТ 11.073. 023-74 RfWOOM/a 7
паста ПР-ЗК Rg-З Ом/а 8
поста ПР-20К R~?OkOm^q 9
Таблица 2
Позиционное обозначение Точки из/мереная Расчетный номинал и Запуск
Б; 3-4 2,2кОм±25%
8, 14-17 13кСм±25%
R3 5-8 Юк0м±25%
84 2-8 150к0м±75%
R.i 7-8 ЮкОм ±25%
Бе 1-18 22к0м±25%
8? 1-3 2ДШм±25%
8е 6-8 15кОм±25%
8э 8-9 ЮкОмт?8%
С/ 4-7 Wn<pi25%
Сг 5-6 В2пФ±25%
Оз 1-5 430пФ±25%
04 6-7 82пФ±25%
1. Олата должна соответствовать Г0СТ2789- 73.
2. * Размеры для с пробок.
3. Координаты вершин элементов слоев приведены
8 АБ7.100.334 ТБ. Допустимые предельные отклонения размеров элементов ±0,1 мм, кроме мест, оговоренных особо.
4. Цифрами 1'418' на листе 3 обозначены радиусы контактных площадок. Радиусы контактных площадок ОДмм.
5. Электрические характеристики и данные по изготовлению отдельных слоев приведены в табл. 1.
Величины сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов должны соответствовать данным, указанным в табл. 2.
Отношение номиналов резисторов R2 /Rs =Re/R3=1,6 тЗ,0; R, /?7 =0,9 й 1,1.
Нумерация контактных площадок и обозначения элементов показаны условно и соответствуют схеме электрической принципиальной АБ3.410.016.33.
8.
We
Изм. а-ист нчокум.
Раздои.
Прее.
З.КОНТр.
Н хпнто
заготовка
АБ7.817.064
АБ7.100.334
Плата
Лит масса масшт.
°, 0,6 Г 20:1
Лист 1 i Листов э
Обозначение . элемента Номер Вершины Координата, мм
X У
А 1 1,5 1,9
2 1,2 2,5
3 1,9 2,5
Б 1 0,6
2 0,6 5,6
3 2,2 5,6
to 00
1. * Размеры для справок.
2. Расположение концов пластины 2 В пределах контактных площадок не регламентируется.
3. Допускается смещение Выводов транзисторов относительно их контактных площадок на 1/з диаметров Выводов.
4. Паять ПОС-61 Г0СШ99-70.
5. Пайка транзисторов 3 должна выдерживать нагрузку 100 г в плоскости
плоты.
6. Обозначение контактных площадок и элементов показано условно.
7. На главном виде пластина 2 условно заштрихована.
8. Вариант установки транзисторов Ц ОСП.ТО. 010. 093.
ю со
1. *Размеры для справок.
2. ** Размеры и шероховатость поверхностей после покрытия.
3. Размер Б после покрытия 0,35max.
4. Неуказанные предельные отклонения размеров: охватывающих -no Н19 охватываемых -по ЫН прочих
5. Покрытие 0,6-9, Н2-3. Допускается покрытие Гор. ПОС-61.
0,3±0,1
У10.
1±йо,3
8.
> 3.
Ч-
7. Опрессовать микросхему прёссматериалом поз. 2. согласно ОСТ......
2. Обрубку пластины элемента произвести после опрессовки микросхемы.
3.* Раз меры и шероховатость поверхностей для справок. У У. Смещение осей Выводов от номинального расположения не более 0,1 мм [допуск зависимый).
Ра плоскостях Б и В после обрубки пластины элемента допускаются выступающие концы от перемычек не более 0,2 мм.
Неуказанные предельные отклонения размеров: охватывающих поН12,охватываемых noh 11,прочих-• Радиусы скруглений опрессованных поверхностей микросхемы -а, 5 мм max. я 20
Шероховатость опрессованных поверхностей микросхемы \/. маркировать товарный знак предприятия методом прессования. Допускается нанесение товарного знака • предприятия эмалью зп-572 ТУ6Т0-1539-76Т2.
Маркировать номер сопроводительного листа, порядковый номер микросхемы. Шрифт 2 по НО. о10.007.
11. Н тести клеймо отк или представителя заказчика.
\J 12. Маркировать условное обозначение микросхемы. Шрифт 2 по НО. 010. 007.
V 13. маркировать год и месяц изготовления микросхемы, шрифт 1 по но. от. 007.
1У. Маркирование и клеймение по п. 10,11,12 и 13 произвести эмалью ЭП-572 ТУ6-10-1539-76Т2.
ИЗМ. ЛИС1 МЗОКЦМ. Пйдп. (Юга
Разраб.
Яров.
Т. контр.
Н. контр.
Ут!.
Микросхема
К22У/ТС1 сборочный чертеж
АБЗ.У10. 016. 06
/IU/Л. массе мсса/т.
Зг 5:1
Лист 1 1 Листе! !
Позиционное обозначение Наименование 1 Кол. Примечание
Я, Резистор 3,8 кОм ± /5% 1
я2 11 14,2 кОм ±15% 1
Rj 11 200к0м±107о 1
Яр 11 4,2кОм±15%о 1
вэ 15 1кОм± 15 Vo 1
Re Г) (см. табл ) 1
/?7 я 12 кОм ± 20 % 1
п8 п 5к0м±20°/о 1
Ry 11 1 кОм ± 15 Vo 1
Rio я 10 кОм ±20 % 1
Ri, 11 5к0м±207о 1
R/2 11 750 Ом±1О% 1
Я,з 11 12 кОм±20Vo 1
Я/p. » 12,2кОм±2О% 1.
С/...С/ Конденсатор (см. табл.) 7
Ti,T2 Транзистор 21331БХМ0.33В. ТУ 2
Зз 51 (см. табл.) 1
h 11 21312ВН<К3.3551Ч3.1У 1
Т5 it (см. табл.) 1
Обозначение С, С2 С3 Су С5 СЬ С7 Ь:Т5 Исключ. элементы и связи
АБ2. 206. ООП 500±20% 570±20% 1080±20% ЗОО±2О% 570±20% 1200±20% 530±20°/о 2,7кОм±2О% 21319ГЖК3.365.1МУ —
-01 720 ±20% 630±20% 1250±20% 350±20% 690±20% 1500±20% 650±20% 3,2кОМ±2О% 21 319А 11 —
-02 900±20% 850±20% 1500±20% У50±20°/а 850±20% 1800±20% 800±20% 5к0м±20% 213196 R,3iQ)
-03 1140±20% 1080±20% 2000±20% 57О±2О% 1080±20% 2250±20% 900±20% 12кОм±2О% 21319В 11 RtiiQ)
ьо ьо ьо
r-J-*-
SO,Б
—1— г—— ТпЬлнпл /
Условное обозначение слоя . Наименова ние слоя Материал слоя номер листа чертежа. |
наименоба пае,марка ГОСТ, ОСТ, ТУ ичеред-H0C7b ни несения Злекгричес пая хирок- метод нанесения
Резистор Сплав РС-300Т tlOQ?lQ19iy — Pfiomiy, вакуумное напыление через маску 2
Проводники иконтактные площадки нихром X2QH3Q Г9С18ЮЗ-58 1 Р^0,Юм/а То же 3
Золото 3/> 999,3 №835-56 2
\т Ни/княя обкладка конденсатора Тиган 8П-3 АИП-9Т52КТ 1 Ро^,2Ом/а п У
Алюминий А 89 гои678-62 2
и LJ Дизлект-рик См.табл.З См.табл 3 — Ом.тобл.З Т1 5
Верхняя обкладка конденсатора Алюминий А99 1067618-62 - P<rWVa » Б
Г 1 L J Защитный сзой Фоторезист негативный ЩН103 QCI... — — Фотолитография 7 .
ГО
оэ
Позиционное обозначение
— в,
2
Точки измерения
После 2- слоя 23-2И
~Псле а сл~оя
Проверяемый номинал и ..напускаемое отклонение Опслч Т> ' После S слоя
9-23
9-23
9-23
ILUL
05aзна, lMKS<miufmiO точках\ чение
ШИМ
-9
9-23
~После 2 слоя 3,5 кОмх 15%
19 кОм *15 "Ха
'ЗЛкОмПЭУй
Таблица 2
Отношения мощностей
?~3 I 9,2кОм*2О%
-izL
20а Ом *20%
8,9 гОмь 15% 9,2кОм±2О% .200 Ом ь 20
С3
I Cy CS
~Df ^Рпф720%1^бОоФз20еД
у90яФЧИ^№>ф:21Хуро11ф!211А
'ОТ ЯЖХ У30лФЬ20% WmtWt ЯЫЫ2П -03]рШ111ф!21т\з1)0лф:ж НООмеЗП ЗЮнФОЮ.
•Лмыо
> 15®л>4адждам1
ТпЫТРУрЫФФ!.
Чпфзяюрт.
'яФтрк0м'-2Щ
; Наименсва\ j ниеслоя ЦамеК1рик\
'Тобли^аз_____
материал слоя
I. '’Размеры для справок.
’. Элементы в слоях выполнять по координатам, приведенным в таблицах на соответствующих листах, координаты даны в масштабе чертежа.
1. Площадь напыления золота 95мм2, толщина напыления 0,9* а,5мкм. внешний вид плоты должен соответствовать требованиям инструкции АБО. 005.021.
?5.характеристики отдельных слоев приведены в табл. 1 и 2.
* 6.Значения электрических сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов должны соответствовать данным, указанным д табл. 3.
1. Знаками yQ)--Ki® условно показаны места резки проводников (связей), указанных в табл.з.
* 8. Номера контактных площадок и обозначения элементов показаны условна и соответствуют схеме электрической принципиальной АБЗ.бЗО.ООбЭЗ.
pfA77gfy-/|
г- Наименода-. яиемасни Тюяшшип-- WfZfMg
Iran, ост)
РМ
jmjs.awol
ноооггеоо,
^аектцичеиак щшгеоисгика Сц-ЗМОпФ/см? tfKumnt/c„i С,-№ШпФ/тг
1^/0071
чму......
| Разраб. Проа. Т контр.
н. контр!
А67.100.382
Плата
~~^т- РФДй? ХмасишГ
200:;
----Сита пл ст 50 -/ — НТХ0.027.02.Ч
й?ист1 ХЛистдвТ
224
ПРИЛОЖЕНИЕ II
Состав и литерность технологических документов
Технологическая документация на ИМС разрабатывается в соответствии о f требованиями системы технологической документации (СТД).
На процессы изготовления микросхем, их сборки и герметизации состав-«»• ляется основная технологическая документация, обязательная для ведения тех-дологического процесса, которая состоит из: спецификации технологической Ж (СПТ); маршрутной карты технологического процесса (МК); операционной кар-ты технологического процесса (ТК) по видам работ; карты эскизов, схем и таб-JgM' лиц (КЭ); карты раскроя материала (КР); технологической инструкции (ТИ); > > контрольной карты (КК) или маршрутно-контрольной карты (МКК).
Создание технологических документов производится на стадии разработки < л эскизного проекта, технического проекта или рабочей документации (документа-" Ж ции опытного образца или опытной партии, установочной серии, установившегося .ж серийного или массового производства). При этом технологическим документом 'Ж. эскизного и технического проектов присваиваются литеры соответственно «Э», Ж «Т>, опытных образцов (опытных партий) —литеры «01», «Ог», «Оз», «0<» ? и т. д., после проведения установочной серии — литера «А», установившегося । j серийного или массового производства — литера «Б».
£ По мере необходимости на процесс изготовления, сборки и герметизации йг ИМС разрабатывается вспомогательная технологическая документация, к кото-рой относятся: перечень технологической докумёнтации (ПТД); ведомость обо-рудования (ВО); ведомость инструмента, оснастки и тары (ВИ).
Перечень разрабатываемых основной и вспомогательной технологической
Стадии разработки и литерность технологических документов
* * ‘ Стадии Q разработки Вид технологической документации Литерность технологических документов Применение формы технологических документов
Проекти- Эскизный про- «э» ТИ
ж! № рование Опытное ект Технический проект Рабочая доку- «т» «01», «Ог», «Оз», ТИ и другие формы СТД по усмотрению разработчика Формы и положения
1# производст- ментация опытного «Од» и т. д. при по- СТД по усмотрению раз-
во образца (опытной следующих изготов- работника в объеме, не-
1 J 1 1 Установившееся серийное или массовое производство партии) Документация установочной серии лениях и испытаниях опытного образца и соответствующей корректировке технологической документации для условий серийного производства «А» обходимом для организации серийного производства Документы и СТД, оформленные в виде основного или полного комплекта. Допускается сокращенное заполнение форм СТД
Продолжение табл, прилож. II
Стадии разработки Вид технологической документации Литерность технологических документов Применение формы технологических документов
Документация установившегося серийного или массового производства «Б» Документы по СТД, оформленные в виде основного или полного комплекта
документации и литерность документов определяются конкретным видом технологического процесса и стадией разработки.
Формы, комплектность и правила заполнения форм технологических документов, разрабатываемых на продукцию основного производства предприятиями, проектирующими и изготовляющими изделия электронной техники, приведены в ОСТ 11 Г0.040.006—73.
ПРИЛОЖЕНИЕ III
Перечень основных стандартов
на ИМС
1. ОСТ 11.073.002—75. Микросхемы интегральные гибридные. Подложки и платы.
2. ОСТ 11.073.042—75. Микросхемы интегральные. Габаритные чертежи.
3. ГОСТ 17.467—79. Микросхемы интегральные. Основные размеры.
ч 4. ГОСТ 18472—78. Приборы полупроводниковые. Корпуса. Габаритные и присоединительные размеры.
5. ОСТ 11.073.011—75. Микросхемы интегральные. Корпуса. Общие технические условия.
6. ОСТ 11.0.000.028—73. Микросхемы интегральные. Правила выполнения конструкторской документации.
7. ОСТ 11.073.063—76. Микросхемы интегральные. Выбор и определение допустимых значений параметров, воздействующих технологических факторов при производстве РЭА на ИМС.
8. ГОСТ 17021—75. Микросхемы интегральные. Термины и определения.
9. ОСТ 11.073.915—80. Микросхемы интегральные. Классификация и система условных обозначений.
10. ОСТ 11.073.909—78. Микросхемы интегральные. Ленты-носители. Конструкция и размеры.
И. ОСТ 11.730.900—77. Микросхемы интегральные. Рамки выводные. Конструкция: размеры и технические требования.
12. Стандарт СЭВ. СТ СЭВ 299—76. Микросхемы интегральные для устройств широкого применения. Общие технические требования. Методы испытаний и правила приемки.
13. Стандарт СЭВ. СТ СЭВ 1624—79. Микросхемы интегральные. Ряд питающих напряжений.
14. ГОСТ 21392—79. Изделия электронной техники для устройства широкого применения: механические и климатические воздействия. Классификация по условиям применения.
15. ОСТ 4.ГО.010.009. Аппаратура радиоэлектронная. Блоки и ячейки на микросборках и микросхемах. Конструирование.
16.ОСТ 4.Г0.010.043. Узлы и блоки радиоэлектронной аппаратуры на микросхемах. Микросборки. Установка бескорпусных элементов и микросхем. Конструирование.
17. ОСТ 4.Г0.010.202. Микросборки СВЧ-диапазона. Конструирование.
18. ОСТ 4.Г0.010.203. Микросборки СВЧ-диапазона. Корпуса. Элементы типовых конструкций. Конструирование.
'/19. ОСТ 4.Г0.014.000. Покрытия металлические и неметаллические органические. Выбор. Область применения и свойства.
20. ОСТ 4.Г0.014.002. Покрытия лакокрасочные. Классификация. Выбор. Свойства. Область применения.
21. ОСТ 4 ГО.029.003. Материалы полимерные для герметизации изделий радиоэлектронной аппаратуры.
22. ОСТ 4.Г0.029.204. Клеи. Выбор, свойства и область применения.
23. ОСТ 4.Г0.029.207. Материалы неорганические (стекло, керамика, ситал-лы). Руководство по выбору.
24. ОСТ 4.Г0.054.014. Узлы и блоки РЭА на ИМС. Типовые технологические процессы сборки.
25. ОСТ 4.Г0.054.204. Микросборки тонкопленочные. Типовые технологические процессы.
26. ОСТ 4.Г0.054.208. Микросборки СВЧ-диапазона. Сборка и герметизация. Типовые технологические процессы.
27. ОСТ 4.ГО.054.210. Склеивание металлических и неметаллических материалов. Типовые технологические процессы.
28. ОСТ 4.ГО.054.213. Герметизация изделий радиоэлектронной аппаратуры полимерными материалами. Типовые технологические процессы.
29. ОСТ 4.Г0.054.230. Пластмассы. Изготовление изделий методами прессования и пресс-литья. Типовые технологические процессы.
30. ОСТ 4.Г0.054.240. Микросборки. Платы толстопленочные. Типовые технологические процессы.
31. ОСТ 4.ГО.054.241. Микросборки. Герметизация сваркой. Типовые технологические процессы.
32. ОСТ 4.ГО.070.026. Изделия электронной техники и микросборки для радиоэлектронной аппаратуры, разрабатываемой на базе комплексной миниатюризации. Общие технические требования.
33. ОСТ 4.ГО.071.200. Автоматизированная система технологического проектирования. Основные положения.
34. ОСТ 4.Г0.073.203. Микросборки корпусные. Конструирование. Обеспечение тепловых режимов.
35. ОСТ 4.ГО.091.273. Система автоматизированного проектирования. Информационная база. Микросборки. Язык и формы описания исходной информации для проектирования.
36. ОСТ 4.ГО.054.241. Микросборки. Герметизация сваркой. Типовой технологический процесс.
37. ОСТ 4.Г0.054.059. Герметизация малогабаритных изделий в металлостеклянных корпусах электродуговой сваркой в защитных газах. Типовой технологический процесс.
38. ОСТ 4.ГО.054.213. Герметизация изделий РЭА полимерными материалами. Типовой технологический процесс.
39. ОСТ 11.054.271—80. Изделия электронной техники. Герметизация лазерной сваркой. Типовой технологический процесс.
40. ОСТ 4.ГО.054.036—78. Композиции токопроводящие и поглощающие полимерные. Покрытие и склеивание. Типовой технологический процесс.
41. ГОСТ 9.047—75. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Операции технологических процессов получения покрытий.
42. ГОСТ 19789—80. Микросхемы интегральные аналоговые. Основные параметры.
43. ГОСТ 17447—72. Микросхемы интегральные для цифровых вычислительных машин и устройств дискретной автоматики. Основные параметры.
44. ГОСТ 24403—80. Микросхемы интегральные оптоэлектронные. Термины, определения и буквенные обозначения параметров.
45. ГОСТ 22565—77. Микросхемы интегральные. Запоминающие устройства и элементы запоминающих устройств. Термины, определения и буквенные обозначения электрических параметров.
46. ГОСТ 19480—74. Микросхемы интегральные. Электрические параметры. Термины, определения и буквенные обозначения.
47. ГОСТ 23089—78. Микросхемы интегральные. Методы измерения электри-ческих параметров операционных усилителей. Общие положения.
48. ГОСТ 5458—75. Материалы керамические радиотехнические. Технические условия.
49. ГОСТ 13927—80. Материалы пьезокерамические. Технические условия.
50. ГОСТ 19604—74. Бор трехбромистый особой чистоты. Технические ус-ловия.
51. ГОСТ 19670—74. Фосфор треххлористый особой чистоты. Технические условия.
52. ГОСТ 24354—80. Приборы полупроводниковые визуального представления информации. Основные размеры.
53. ГОСТ 24352—80. Излучатели полупроводниковые. Основные параметры.
54. ГОСТ 23622—79. Элементы логических интегральных микросхем. Основные параметры.
55. ГОСТ 23448—79. Диоды полупроводниковые излучающие. Основные размеры.
56. ГОСТ 23547—79. Коммутаторы оптоэлектронные. Основные параметры.
57. ГОСТ 15172—70. Транзисторы. Перечень основных и справочных параметров.
58. ГОСТ 15605—70. Диоды полупроводниковые. Перечень основных и справочных электрических параметров.
59. ГОСТ 21322—75. Изделия электронной техники для устройств широкого применения. Механические и климатические воздействия. Классификация по условиям применения.
60. ГОСТ 21518—76. Изделия электронной техники производственно-технического назначения и народного потребления. Требования к сохраняемости и методы испытаний.
61. Единая система программной документации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пономарев М. Ф. Конструкции и расчет микросхем и микроэлемев* тов ЭВА. — М.: Радио и связь, 1982.
2. Степаненко И. П. Основы микроэлектроники. — М.: Советское ра* дио, 1980.
3. Ермолаев Ю. П., Пономарев М. Ф., Крюков Ю. Г. Коист* рукции и технология микросхем. — М.: Советское радио, 1980.
4. Конструирование и расчет больших гибридных интегральных схем, микро* сборок и аппаратуры на их основе/Под ред. Б. Ф. Высоцкого. — М.: Радио и связь, 1981.
5. Фомин А. В., Боченков Ю. И., Сор око пуд В. А. Технология, надежность и автоматизация производства Б ГИС и мнкросборок.— М.: Радио и связь, 1981.
6. Черняев В. Н. Технология производства интегральных микросхем,— М.: Энергия, 1977.
7. Е ф и м о в И. Е., Горбунов Ю. И., Козырь И. Я. Микроэлектро* ника. — М.: Высшая школа, 1977, 1978.
8. Гребен А. Б. Проектирование аналоговых интегральных схем. —М.: Энергия, 1976.
9. Остапенко Г. С. Аналоговые полупроводниковые интегральные мик* росхемы. — М.: Радио и связь, 1981.
10. Курносов А. И., Юдин В. В. Технология производства полупро* водниковых приборов и интегральных микросхем. — М.: Высшая школа, 1979.
11. Николаев И. М., Филинюк Н. А. Микроэлектронные устройства и основы их проектирования. — М.: Энергия, 1979.
12. Малышева И. А. Технология производства микроэлектронных уст* ройств. — М.: Энергия, 1980.
13. Интегральные схемы иа МДП-приборах/Пер. с аигл. под ред. А. Н. Кар* и аз ннского, — М.: Мир, 1975.
14. Волков В. А. Сборка и герметизация микроэлектронных устройств.— М.: Радио и связь, 1982.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие......................................................... 3
Введение..........................................,................. 5
ЧАСТЬ I. КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ....................................... 11
Глава 1. Конструирование и технология полупроводниковых ИМС на биполярных транзисторах........................................... 11
§ 1.1. Элементы полупроводниковых ИМС на биполярных транзисторах . 11
§ 1.2. Изоляция элементов и технологические процессы производства ИМС 28
§ 1.3. Конструирование и расчет параметров элементов ИМС на биполярных транзисторах .................................................. 34
§ 1.4. Разработка топологии ИМС................................... 45
Глава 2. Конструирование и технология полупроводниковых ИМС на униполярных транзисторах........................................... 56
§ 2.1. Механизм работы и классификация МДП-транзисторов........... 56
§ 2.2. Особенности использования МДП-транзистора как типового схемного элемента ИМС.................................................. 58
§ 2.3. Технологические процессы производства МДП-ИМС........... 59
§ 2.4. Основные параметры МДП-структур и МДП-транзисторов .... 61
§ 2.5. Режимы работы и связь между конструктивными и электрическими параметрами МДП-транзисторов в цифровых ИМС........................ 66
§ 2.6. Конструирование транзисторов и топологии кристалла МДП-ИМС 75
§ 2.7. Порядок расчета конструктивных и электрических параметров элементов МДП-ИМС..................................................... 83
ЧАСТЬ II. КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ГИБРИДНЫХ ИН-
ТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ............................................... 89
Глава 3. Конструирование и технология тонкопленочных ГИС........... 89
§ 3.1. Подложки тонкопленочных ГИС................................ 89
§ 3.2. Материалы элементов тонкопленочных ГИС...................... 91
§ 3.3. Методы формирования конфигураций элементов тонкопленочных ГИС................................................................ 98
§ 3.4. Компоненты ГИС............................................. 101
§ 3.5. Конструктивные и технологические ограничения при проектировании тонкопленочных ГИС................................................ 112
§ 3.6. Расчет конструкций элементов тонкопленочных ГИС............ 117
§ 3.7. Разработка топологии тонкопленочных ГИС.................... 134
Глава 4. Конструирование и технология толстопленочных ГИС......... 137
§ 4.1. Платы толстопленочных ГИС............................... 137
§ 4.2. Пасты для толстопленочных ГИС............................. 138
§ 4.3. Основные технологические операции изготовления толстопленочных
ГИС................................................ч........ 141
§ 4.4. Разработка топологии толстопленочных ГИС................... 146
§ 4.5. Конструктивный расчет элементов толстопленочных ГИС........ 151
ЧАСТЬ III. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ...................................................... 155
Глава 5. Конструктивные и технологические методы обеспечения требований к ИМС........................................................ 155
§ 5.1. Технические условия на ИМС.................................. 155
§ 5.2. Конструктивные меры защиты ИМС от воздействия дестабилизирующих факторов...................................................... 157
§ 5.3. Обеспечение тепловых режимов работы ИМС..................... 173
§ 5.4. Обеспечение влагозащиты ИМС................................. 179
Глава 6. Автоматизация конструирования ИМС......................... 184
§6.1. Специализированная система автоматического проектирования топологии ИМС.......................................................... 184
§ 6.2. Работа с системой «Кулон»................................... 190
§ 6.3. Использование ЭВМ для расчета элементов ГИС................. 192
Приложения......................................................... 207
Приложение I. Примеры выполнения конструкторских документов .... 207
Приложение II. Состав и литерность технологических документов..... 225
Приложение III. Перечень основных стандартов на ИМС................ 226
Список литературы ................................................. 229