Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
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 МААС 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 ЙМС).
Перечислим особенности ИА1С как нового типа изделий электронной техники:
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;
выпуск и применение ИМС сопровождаются существенным уменьшением массы, габаритов и стоимости радиоэлектронной аппаратуры, снижением потребляемой мощности и повышением на- ДеН^°элементы ИМС располагаются в пределах одной подложки ,на сравнительно небольших расстояниях друг от друга и формируются одновременно; это обусловливает малый технологический раз- 6doc их параметров* Особенно высока точность выполнения соот- ношения параметров нескольких элементов (например, отношения сопротивлений). Эта точность сохраняется при изменении темпера- туры 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 ехбмные 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 (груп- па) 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, П — преобразователи сигналов, Е — схемы источников вторичного питания, Б — схемы задержки, С схемы сравнетая, 1 —триггеры, у_ усилители, Ф — фильтры, Аформирователи импульсов, Р — схемы запоминающих устройств, И — схемы цифровых устройств, В — схемы вычислительных средств II — фоточувствительные схемы с зарядовой связью, X — многофункциональные схемы). В пределах каждой подгруппы ИМС подразделяют на видь^ каждому виду присвоена определенная буква； таким образом, сочетание дву букв в обозначении ИМС характеризует ее вид и подгруппу (например,】J^"「e； нераторы гармонических сигналов, ЛИ — логические элементы, И, —”^^Р резисторов, УВ — усилители высокой частоты, ВМ — микропроцессоры, В匕一 микро-ЭВМ, ВУ — схемы микропрограммного управления, ВТ — микрокалькуля- Т°РЬОб(^начение 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 составе 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 о означению серии (т. е. оно содержит от трех до четырех цифр)* Например, и синхронизации микропроцессорного комплекта серии 1800 с порядковым номером 2 ее разработки в данной серии (по функциональному признаку) имеет о означение 1800ВБ2, ИМС логического элемента И — НЕ, открывающего перечень схем широко распространенной серии 133, — обозначение 133ЛА1.
При необходимости разработчик ИМС имеет право в конце 亭л債н^го о幣 значения дополнительно указывать буквы (от А до Я, кроме букв э, и, 1, ш, 6
П, Ч, Ы, Ъ), характеризующие отличие ИМС одного вида по электрический характеристикам. При маркировке эта буква может быть заменена цветной точкой.
Для ИМС, используемых в устройствах широкого применения, в начале обо* значения 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 вы- водами; 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
в бескорпусном исполне-в бескорпусном исполне-площадками без выводов. Например, Б106ЛБ1А-1—полупроводниковая ИМС серии Б106-1 (логический элемент И — HE/ИЛИ — НЕ) -
в бескорпусном исполне-
в бескорпусном исполне-
нии 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 ЭК1500ЛА1.
Цель, задачи и методика выполнения курсового проекта. Задачей выполнения курсового проекта (КП) является разработка конструкции ИМС и технологического маршрута ее производства в со- ответствии 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. 1——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 ИМС); 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. Л1етодика 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 реше- ния 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-технологического 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 ИА1С, топологический чертеж ИМС, сборочный чертеж PLMC, структурную схему тег<нологического 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;
эта'П 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睜
§ 1.1. Элементы полупроводниковых ИМС на биполярных транзисторах
Транзисторы типа 几~"一几・ Биполярный транзистор типа п-р-п является основным схемным элементом полупроводниковых ИМС. Он обладает лучшими характеристиками, чем транзистор типа рпр, а технология его изготовления более проста. Остальные элементы ИМС выбирают и конструируют таким образом, чтобы они сов)меща- лись со структурой транзистора типа п-р-п. Их изготовляют одновременно с транзистором типа п-р-п на основе какой-либо из его областей. Таккн образом, выбор физической структуры транзистора тппа п-р-п определяет основные электрические параметры остальных элементов микросхемы.
Наиболее широкое распространение получила структура типасо скрытым
(рис. 1.1). Следует обратить внимание
транзисторная
интегрального транзистора расположен на поверхности прибора. Это увеличивает сопротивление тела коллектора и ухудшает характеристики транзистора в усилительном режиме (ухудшается частотная храктеристика) и в переклю-
подколлекторным 〃+-слоем на то, что вывод коллектора
чающем режиме (уменьшается /
эффективность
переключения
в
режиме насыщения). Увеличение
Рнс. 1.1. Конструкция интегральногог транзистора типа п+・р-п
степени легирования всего объема коллекторной области и уменьшение ее удельного сопротивления
снижают пробивное
напряжение
перехода
коллектор — база _ 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
и
увеличивают емкость этого
решением проблемы
Рис. 1.2. Конструкция биполярных интегральных транзисторов: а — асимметричная; б — симметричнаяРис. 1.2. Конструкция биполярных интегральных транзисторов: а — асимметричная; б — симметричнаяЭЭбб
Рис. 1.2. Конструкция биполярных интегральных транзисторов: а — асимметричная; б — симметричная
Рис. 1.2. Конструкция биполярных интегральных транзисторов: а — асимметричная; б — симметричная
Э
Э
б
б
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 р$= 10+30 Ом/П.
Рабочая зона транзистора начинается непосредственно под эмиттерной 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
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 /7-базы и 〃+-о6ласти под коллекторным контактом. Назначение этой п+-области состоит в обеспечении надежного формирования невыпрямляющего контакта алюминия к слаболегированной n-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 эпитаксиального слоя.
Две типичные конструкции интегральных транзисторов показаны на рис. 1.2. Для асимметричной конструкции (рис. 1.1, 1.2, а).
характерно то, что коллекторный ток протекает к эмиттеру только в одном направлении. При симметричной конструкции (рис. 1.2, 6) 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, о даны топологические размеры областей интегрального биполярного транзистора, типичные для ИМ С средней степени интеграции. Параметры этих областей приведены в табл. LL
Таблица 1.1
Параметры областей интегрального транзистора типа п-р- п
Наименование области
Концентрация примеси N、 CM-3
Толщина слоя d, мкм
Удельное объемное сопротивление материала р, Ом*см
Удельное поверхностное сопротивление слоя % Ом/Q
Подложка р-тнпа
1,5。1015
200—400
ю
Скрытый п+-слой
2,5—10
Ю—30
Коллекторная /z-область
1016
2,5—10
0,15—5,0
Базовая р-область
5-Ю18
1,5—2,5
100—300
Эмиттерная п+-область
1021
2—15
Изолирующая область
3,5—12
6—10
Пленка окисла кремния
Металлическая пленка (алюминий)
—
0,6—1,0
1,7-10-в
0,06—0,1
Примечание: N ^ объемная концентрация примеси для подложки и области и поверхностная концентрация примеси для эмиттерной и базовой
коллекторной 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 прп приведены в табл. 1.2.
Рассмотрим разновидности интегральных биполярных транзн-
сторов.
транзисторов ширина ба-транзисторов ширина ба-этихэтихТранзисторы с тонкой базой. Транзисторы с тонкой базой обладают повышенными значениями коэффициента усиления В и необходимы для создания ряда аналоговых ИМС (входные каскады операционных усилителей). У этих 小八“口々 -
транзисторов ширина ба-
транзисторов ширина ба-
этих
этих
Рис. 1.3. Конструкция мощного транзистора (вид сверху):Рис. 1.3. Конструкция мощного транзистора (вид сверху):Рис. 1.4. Конструкция многоэмиттерного транзистораРис. 1.4. Конструкция многоэмиттерного транзистора
Рис. 1.3. Конструкция мощного транзистора (вид сверху):
Рис. 1.3. Конструкция мощного транзистора (вид сверху):
Рис. 1.4. Конструкция многоэмиттерного транзистора
Рис. 1.4. Конструкция многоэмиттерного транзистора
Параметры
Номинал
Допуск 3 %
Температурный коэффициент, 1/℃
Коэффициент усиления В Предельная частота “, МГц Пробивное напряжение 几6, В Пробивное напряжение “6, В
100—200 200—500 40'~50
7—8
±30 ±20
±30 ±5
5•10-3
(2—6)-10-5
7—эмиттерная область; 2 — область базы; 3 — область изоляции; 4 — коллекторная область
Таблица 1.2
Параметры интегральных транзисторов типа 〃-р-〃
зы (расстояние между эмиттерными и коллекторными переходами) w = 0,2+0,3 мкм, коэффициент усиления В = 2000-ь5000 при коллекторном токе /к = 20 мкА и уровне напряжения “3 = 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 п+-р-п+- транзисторов расстояние между краями соседних эмиттеров должно превышать диффузионную длину носителей заряда в базовом
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 базо
Рис. 1.5. Конструкция многоколлекторного транзистораРис. 1.5. Конструкция многоколлекторного транзисторавый контакт от активной области транзистора, чтобы сопротивление перешейка, соединяющего базовый контакт с базовой областью, составило 200— 300 Ом.
Рис. 1.5. Конструкция многоколлекторного транзистора
Рис. 1.5. Конструкция многоколлекторного транзистора
Много коллекторные транзисторы (МКТ). МКТ — это практически МЭТ, используемый в инверсном режиме: общим эмиттером явля
ется 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 р-п-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 л+-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. Перено,с 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+40 МГц. Без особого труда получают о> = 6+12 мкм, но при этом В = 1,5+20, a 方=2+5 МГц. Для подавления действия паразитных р-%-р-транзнсторов (р—эмиттер,九——эпитаксиальный слой, Р — подложка) стремятся уменьшить площадь донной части эмит-
тер а (его делают возможно более узким), используют скрытый и+- слой вдоль границы эпитаксиального слоя и подложки. На основе
Рис. 1.6. Конструкция горизонтального транзистора типа р-п-рРис. 1.6. Конструкция горизонтального транзистора типа р-п-ргоризонтального транзистора легко сформировать многоколлекторный транзистор типа р-п-р (рис. 1・7).
Рис. 1.6. Конструкция горизонтального транзистора типа р-п-р
Рис. 1.6. Конструкция горизонтального транзистора типа р-п-р
55&&Рис. 1.7. Конструкция многоколлекторного горизонтального транзистора типа р・п-рРис. 1.7. Конструкция многоколлекторного горизонтального транзистора типа р・п-рОсновные недостатки горизонтального транзистора типа р-п-р —
5
5
&
&
Рис. 1.7. Конструкция многоколлекторного горизонтального транзистора типа р・п-р
Рис. 1.7. Конструкция многоколлекторного 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
Базовой контактБазовой контактДрейтоЬыйДр 疝串陋мНанод'кигпи@ДрейтоЬыйДр 疝串陋мНанод'кигпи@Рис. L8. Конструкция дрейфового бокового транзистора типа р-п-рРис. L8. Конструкция дрейфового бокового транзистора типа р-п-риспользуют 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.
Базовой контакт
Базовой контакт
ДрейтоЬыйДр 疝串陋мН
анод'кигпи@
ДрейтоЬыйДр 疝串陋мН
анод'кигпи@
Рис. L8. Конструкция дрейфового бокового транзистора типа р-п-р
Рис. L8. Конструкция дрейфового бокового транзистора типа р-п-р
Вертикальные т р а нз и стор 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 /7-слоя if вводить дополнитель-
ную операцию диффузии для создания р++・слоя, причем для получения рН-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 п+-слоя, т. е. вводить еще одну дополнительную опера
цию.
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 структурыРис. 1.9. Конструкция вертикального транзистора типа р-п-р, изготовленного методом тройной диффузии на основе планарно-эпитаксиальной структурыРис. 1.10. Конструкция составного транзистораРис. 1.10. Конструкция составного транзистора
Рис. 1.9. Конструкция вертикального транзистора типа р-п-р, изготовленного методом тройной диффузии на основе планарно-эпитаксиальной структуры
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. 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: ВуВ\В& однако быстродействие составного транзистора определяется наименее быстродействующим транзистором.
Интегральные диоды. Любой из р-и-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
Рнс. 1.11. Конструкции интегральных диодовРнс. 1.11. Конструкции интегральных диодов
Рнс. 1.11. Конструкции интегральных диодов
Рнс. 1.11. Конструкции интегральных диодов
вариантов диодного включения интегрального транзистора показаны на рис. 1.11: а ——переход база ——эмиттер с коллектором, закороченным на базу; 6 — переход коллектор — база с эмиттером, за-
короченным на базу; 8 — параллельное включение обоих переходов； г — переход база — эмиттер с разомкнутой цепью коллектора; д ——переход база ——коллектор с разомкнутой цепью эмиттера. Параметры интегральных диодов приведены в табл. 1.3.
Таблица 1.3
Параметры интегральных диодов
Вариант включения
Значения параметров
пробивное напряжение 4р，в
обратный ток ^бр- нА
емкость диода
J, пФ
паразитная емкость на подложку С。，пФ
время восст анов- лення 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
В—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 〃叩 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 %в, 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 резистор ы. 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 pg. Значение ps является конструктивным параметром резистора, зависящим от технологических факторов (режима диффузии). При создании ИМС параметры диффу- зионных слоев оптимизируют с целью получения наилучших характеристик транзисторов типа и-р-и, поэтому параметры ДР улучша-
Рис. 1.12. Конструкция диффузионного резистора на основе базовой областиРис. 1.12. Конструкция диффузионного резистора на основе базовой областиРис. 1.13. Поперечный разрез структуры диффузионного резистора на основе базовой областиРис. 1.13. Поперечный разрез структуры диффузионного резистора на основе базовой области
Рис. 1.12. Конструкция диффузионного резистора на основе базовой области
Рис. 1.12. Конструкция диффузионного резистора на основе базовой области
Рис. 1.13. Поперечный разрез структуры диффузионного резистора на основе базовой области
Рис. 1.13. Поперечный разрез структуры диффузионного резистора на основе базовой области
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 //6. 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, 6, & Здесь длина и ширина приконтактной области равны ширине резистора. Топологию, показанную на рис. 1.15, а, 0, 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, да). 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-/г-перехода). Типичные значения сопротивления диффузионных резисторов, 'которые можно получить при данном значении ps, лежат в диапазоне 4ps<-/?<104ps- Нижний предел ограничивается
сопротивлениями приконтактных областей, верхний ——допустимой площадью, отводимой под резистор./
Рис. 1.14. Конструкция диффузионного резистора на основе эмиттерной областиРис. 1.14. Конструкция диффузионного резистора на основе эмиттерной областиРис, 1.15. Конфигурации диффузионных резисторовРис, 1.15. Конфигурации диффузионных резисторовМаксимальное 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 сопрртивлений 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 TKR для отдельного резистора [(1,5—3) • 10-4 1/℃]. Эту особенность диффузионных резисторов учитывают при разработке полупроводниковых имс.
Рис. 1.14. Конструкция диффузионного резистора на основе эмиттерной области
Рис. 1.14. Конструкция диффузионного резистора на основе эмиттерной области
Рис, 1.15. Конфигурации диффузионных резисторов
Рис, 1.15. Конфигурации диффузионных резисторов
На основе эмиттерной области формируются резисторы небольших номиналов [3—100 Ом с TKR= (1+2)・ 10-4 1/℃]? 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'рези- сторы (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, ps = 2+5 кОм/D. Пинч-резисторы имеют большой разброс номиналов (до 50%) из-за трудностей получения точных значений тол щи- 20
〃丿丿"丿丿"丿丿暇^7?"沙〃丿丿"丿丿"丿丿暇^7?"沙Рис. 1.16. Конструкция пинч-резистораРис. 1.16. Конструкция пинч-резистораРис. 1.17. Конструкция пинч-резисторов на основе базовой области с использованием эмиттерной диффузии (закрытый I и полузакрытый II варианты)Рис. 1.17. Конструкция пинч-резисторов на основе базовой области с использованием эмиттерной диффузии (закрытый I и полузакрытый II варианты)Точность изготовления диффузионных резисторов на основе базовой области и отношения их сопротивлений
〃丿丿"丿丿"丿丿暇^7?"沙
〃丿丿"丿丿"丿丿暇^7?"沙
Рис. 1.16. Конструкция пинч-резистора
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)
Рис. 1.17. Конструкция пинч-резисторов на основе базовой области с использованием эмиттерной диффузии (закрытый I и полузакрытый II варианты)
Ширина резистора, мкм
Точность воспроизведения номинала сопротивления, %
Точность отношения сопротивлений, %
1 : 1
1 :5
7
±15
±2
±5
25
±8
±0,5
±1,5
ны донной части р-слоя, большого TKR= (3+5) • 10-' 1/℃ вследствие меньшей степени легирования донной части. У пинч-резистора х+・ 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 лереход, см. табл. 1.2).
« Эпитаксиальные резисторы. Из трех областей транзистора коллекторная имеет наименьшую концентрацию лепирую- щей примеси и максимальное значение р$ (500——5000 Ом/口). 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 диффузи- юнных 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
Рис. 1.19. Конструкция эпитаксиального пинч- резистораРис. 1.19. Конструкция эпитаксиального пинч- резистораРис. 1.18. Конструкция ин- грального резистора на основе коллекторной областиРис. 1.18. Конструкция ин- грального резистора на основе коллекторной областиРис. 1.20. Конструкции ионно-легированных резисторов, сформированных имплантацией примеси р-типа s эпитаксиальный (коллекторный) слой (а) и примеси n-типа в базовый слой (б)Рис. 1.20. Конструкции ионно-легированных резисторов, сформированных имплантацией примеси р-типа s эпитаксиальный (коллекторный) слой (а) и примеси n-типа в базовый слой (б)Тип резистораТолщина слоя, мкмПоверхностное сопротивлениеР$, Ом/口Допуск, %TKR(a ), 1/℃Паразитная емкость, пФ/мм*Диффузионный резистор на основе базовой области2,5-3,5100—300土 (5—20)±(0,5—3)-10-3150—350Пинч-рези-0,3—1,0(2—15)-10®±50±(1,5—3)-IO-31000—1500СТДиффузион- ный резистор на основе эмиттерной области1,5-2,51—10±20±(1—5)-10-41000—1500Эпитаксиальный резистор7—1,0(0v5—5)-103±(15—25)±(2—4)-10~s80—100Ионно-легированный резистор /г-типа0,1 一U ,2(5—10)-102±50±(1,5—5)-IO-3200—350Тип резистораТолщина слоя, мкмПоверхностное сопротивлениеР$, Ом/口Допуск, %TKR(a ), 1/℃Паразитная емкость, пФ/мм*Диффузионный резистор на основе базовой области2,5-3,5100—300土 (5—20)±(0,5—3)-10-3150—350Пинч-рези-0,3—1,0(2—15)-10®±50±(1,5—3)-IO-31000—1500СТДиффузион- ный резистор на основе эмиттерной области1,5-2,51—10±20±(1—5)-10-41000—1500Эпитаксиальный резистор7—1,0(0v5—5)-103±(15—25)±(2—4)-10~s80—100Ионно-легированный резистор /г-типа0,1 一U ,2(5—10)-102±50±(1,5—5)-IO-3200—350Таблица 1.5Таблица 1.5Характеристики интегральных резисторовХарактеристики интегральных резисторов
Рис. 1.19. Конструкция эпитаксиального пинч- резистора
Рис. 1.19. Конструкция эпитаксиального пинч- резистора
Рис. 1.18. Конструкция ин- грального резистора на основе коллекторной области
Рис. 1.18. Конструкция ин- грального резистора на основе коллекторной области
Рис. 1.20. Конструкции ионно-легированных резисторов, сформированных имплантацией примеси р-типа s эпитаксиальный (коллекторный) слой (а) и примеси n-типа в базовый слой (б)
Рис. 1.20. Конструкции ионно-легированных резисторов, сформированных имплантацией примеси р-типа s эпитаксиальный (коллекторный) слой (а) и примеси n-типа в базовый слой (б)
Тип резистора
Толщина слоя, мкм
Поверхностное сопротивление
Р$, Ом/口
Допуск, %
TKR(a ), 1/℃
Паразитная емкость, пФ/мм*
Диффузионный резистор на основе базовой области
2,5-3,5
100—300
土 (5—20)
±(0,5—3)-10-3
150—350
Пинч-рези-
0,3—1,0
(2—15)-10®
±50
±(1,5—3)-IO-3
1000—1500
СТДиффузион- ный резистор на основе эмиттерной области
1,5-2,5
1—10
±20
±(1—5)-10-4
1000—1500
Эпитаксиальный резистор
7—1,0
(0v5—5)-103
±(15—25)
±(2—4)-10~s
80—100
Ионно-легированный резистор /г-типа
0,1 一U ,2
(5—10)-102
±50
±(1,5—5)-IO-3
200—350
Тип резистора
Толщина слоя, мкм
Поверхностное сопротивление
Р$, Ом/口
Допуск, %
TKR(a ), 1/℃
Паразитная емкость, пФ/мм*
Диффузионный резистор на основе базовой области
2,5-3,5
100—300
土 (5—20)
±(0,5—3)-10-3
150—350
Пинч-рези-
0,3—1,0
(2—15)-10®
±50
±(1,5—3)-IO-3
1000—1500
СТДиффузион- ный резистор на основе эмиттерной области
1,5-2,5
1—10
±20
±(1—5)-10-4
1000—1500
Эпитаксиальный резистор
7—1,0
(0v5—5)-103
±(15—25)
±(2—4)-10~s
80—100
Ионно-легированный резистор /г-типа
0,1 一U ,2
(5—10)-102
±50
±(1,5—5)-IO-3
200—350
Таблица 1.5
Таблица 1.5
Характеристики интегральных резисторов
Характеристики интегральных резисторов
это преимущество. Эпитаксиальные рези-сторы имеют высокое напряжение пробоя (> 100 В) и большой TKR, поскольку коллекторная область легирована слабо.
Эпитаксиальные пинч-резисторы. 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=4+8 кОм/口)и но-
миналы сопротивления при одной и той же площади (рис. 1・19)・ Пробивное напряжение этих резисторов определяется пробивным напряжением "б (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
малую концентрацию легирующей примеси в слое. При соответствующем выборе дозы легирования и параметров отжига (10——20 мин при 500—600℃) можно получить р$ = 0,5+立0 кОм/口 в резисторах со структурой рис. 1.20, а и р$=500+1000 Ом/口 в резисторах со структурой рис. 1.20, 6. Могут быть достигнуты номиналы со-
22
противлений в сотни килоом со сравнительно низким TK R 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.
Характеристики интегральных резисторов. Типичные характеристики интегральных резисторов приведены в табл.
Тонкопленочные резисторы. В совмещенных ИМ С (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 TKR. 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 SiO2), не содержащей ступенек.
23
Характеристики тонкопленочных резисторов совмещенных ИЛ1С
Материал
Ps，Ом/D
TKR”)• 10-4, 1/℃
Допуск, %
Разброс отношения сопротивлений,^%
Нихром
40—400
1
±5
±1
Тантал
200—5000
1
±5
±1
Пленка SiO2
80—4000
0—15
±8
±2
Интегральные конденсаторы. В интегральных полупроводниковых конденсаторах роль диэлектрика могут выполнять обедненные слои обратно смещенных р-/г-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-п-переходов (рис. 1.21): коллектор ——подложка
Рис, 1.21. Варианты формирования интегральных диффузионных конденсаторов на основе р-п-переходов
(Ci), база ——коллектор (С2), эмиттер ——база (С3), переход р-обла- сти изолирующей диффузии и скрытого ^г+-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/口 при глубинах р-п-переходов эмиттер — база 2, 3 мкм, база ——коллектор 2,7 мкм п коллектор — подложка 12,5 мкм р-п-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;
24 '
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/℃).
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^ КЩи)т, где К—коэффициент пропорциональности, зависящий от уровня легирования полупроводниковых областей; m——показатель： me 曰‘/з； %], причем т = !/2 соответствует ступенчатому, a m— V3 — 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 ir 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
Сэ6, ттФ/мм2
CgK, пФ/мма
°кп(с /г+-слоем), 1]ф/мма
Ски(6ез п+-слои), пФ/мм2
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. Нужней обкладкой служит эмиттерный п+-слой, верхней——пленка А1, диэлектриком ——тонкие слои SiO2 или S13N4. По-
Рис. 1.22. Конструкция интегрального диффузионного конденсатора:Рис. 1.22. Конструкция интегрального диффузионного конденсатора:Рис. 1.23. Конструкция интегрального МДП-конденсатора: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 — л+-слой (ннжняя обкладка конденсатора); 6 — тонкий окисел (диэлектрик конденсатора); 7 — толстый окисел1 — верхняя обкладка; 2 — алюминиевый вывод от нижней обкладки; 3 — подложка р-тнпа; 4 — коллекторная п-область; 5 — л+-слой (ннжняя обкладка конденсатора); 6 — тонкий окисел (диэлектрик конденсатора); 7 — толстый окиселТип конденсатораУдельная емкость Со, пФ/мм皆^广Допуск 3, %ТКС(ас)Х Х10-3， l/℃Пробивное напряжение 4р，в」Доброт* ность*ДК на переходах:Б—КЭ—Бк—пМДП с диэлектри-150(350)** 600(1000)** 100(250)**3001200±15+20±20 士 15+20—1,0—1,0ЗЭ—707—8 35—7050—100 1—20ком:SiO2Si3N4400—600800—16005301200±20 ±200,015 0,0133—53 5925—8020—100Тонкопленочные сдиэлектриком:SiO2 Si3№500—800 3000—55006534500±20 ±20±32-520—40231J—100 10—100Тип конденсатораУдельная емкость Со, пФ/мм皆^广Допуск 3, %ТКС(ас)Х Х10-3， l/℃Пробивное напряжение 4р，в」Доброт* ность*ДК на переходах:Б—КЭ—Бк—пМДП с диэлектри-150(350)** 600(1000)** 100(250)**3001200±15+20±20 士 15+20—1,0—1,0ЗЭ—707—8 35—7050—100 1—20ком:SiO2Si3N4400—600800—16005301200±20 ±200,015 0,0133—53 5925—8020—100Тонкопленочные сдиэлектриком:SiO2 Si3№500—800 3000—55006534500±20 ±20±32-520—40231J—100 10—100Таблица 1.8Таблица 1.8Параметры интегральных конденсаторовПараметры интегральных конденсаторовДля ДК на частоте 1 МГц, для МДП и тонкопленочных конденсаторов иа частоте В скобках указаны значения С。для вертикальных (боковых) стеиок р-л-перехода.Для ДК на частоте 1 МГц, для МДП и тонкопленочных конденсаторов иа частоте В скобках указаны значения С。для вертикальных (боковых) стеиок р-л-перехода.диффузионной перемычдиффузионной перемычкикиРис. 1,25. Конструкция соединений (а) и контактной площадки (6) ИМСРис. 1,25. Конструкция соединений (а) и контактной площадки (6) ИМС
Рис. 1.22. Конструкция интегрального диффузионного конденсатора:
Рис. 1.22. Конструкция интегрального диффузионного конденсатора:
Рис. 1.23. Конструкция интегрального МДП-конденсатора:
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 — л+-слой (ннжняя обкладка конденсатора); 6 — тонкий окисел (диэлектрик конденсатора); 7 — толстый окисел
1 — верхняя обкладка; 2 — алюминиевый вывод от нижней обкладки; 3 — подложка р-тнпа; 4 — коллекторная п-область; 5 — л+-слой (ннжняя обкладка конденсатора); 6 — тонкий окисел (диэлектрик конденсатора); 7 — толстый окисел
Тип конденсатора
Удельная емкость Со, пФ/мм
皆^广
Допуск 3, %
ТКС(ас)Х Х10-3， l/℃
Пробивное напряжение 4р，в」
Доброт* ность*
ДК на переходах:
Б—К
Э—Б
к—п
МДП с диэлектри-
150(350)** 600(1000)** 100(250)**
300
1200
±15+20
±20 士 15+20
—1,0
—1,0
ЗЭ—70
7—8 35—70
50—100 1—20
ком:
SiO2
Si3N4
400—600
800—1600
530
1200
±20 ±20
0,015 0,01
33—53 59
25—80
20—100
Тонкопленочные с
диэлектриком:
SiO2 Si3№
500—800 3000—5500
653
4500
±20 ±20
±3
2-5
20—40
23
1J—100 10—100
Тип конденсатора
Удельная емкость Со, пФ/мм
皆^广
Допуск 3, %
ТКС(ас)Х Х10-3， l/℃
Пробивное напряжение 4р，в」
Доброт* ность*
ДК на переходах:
Б—К
Э—Б
к—п
МДП с диэлектри-
150(350)** 600(1000)** 100(250)**
300
1200
±15+20
±20 士 15+20
—1,0
—1,0
ЗЭ—70
7—8 35—70
50—100 1—20
ком:
SiO2
Si3N4
400—600
800—1600
530
1200
±20 ±20
0,015 0,01
33—53 59
25—80
20—100
Тонкопленочные с
диэлектриком:
SiO2 Si3№
500—800 3000—5500
653
4500
±20 ±20
±3
2-5
20—40
23
1J—100 10—100
Таблица 1.8
Таблица 1.8
Параметры интегральных конденсаторов
Параметры интегральных конденсаторов
Для ДК на частоте 1 МГц, для МДП и тонкопленочных конденсаторов иа частоте В скобках указаны значения С。для вертикальных (боковых) стеиок р-л-перехода.
Для ДК на частоте 1 МГц, для МДП и тонкопленочных конденсаторов иа частоте В скобках указаны значения С。для вертикальных (боковых) стеиок р-л-перехода.
диффузионной перемыч
диффузионной перемыч
ки
ки
Рис. 1,25. Конструкция соединений (а) и контактной площадки (6) ИМС
Рис. 1,25. Конструкция соединений (а) и контактной площадки (6) ИМС
следний предпочтителен вследствие большей емкости Со (диэлектрическая проницаемость е 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-
/ — алюминиевый вывод от верхней обкладки конденсатора; 2 — алюминиевый вывод от нижней обкладки конденсатора; 3—пленка золота (контакт к подложке); 4 — подложка р-тнпа; 5 — коллекторная n-область (ннжняя обкладка конденсатора); 6 — базовая p-область (верхняя обкладка конденсатора); 7 — пленка окисла кремния
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 АЬ°з, во втором ——Та2Об. Диэлектрическая -постоянная 丁@2。5 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 алюминиевой разводки толщиной до 0,8 мкм. Когда в однослойной разводке не удается избежать пересечений, применяют диффузион
ные перемычки (рис. 1.24). Речь идет об изоляции двух взаимно перпендикулярных проводников, первый из которых размещен поверх защитного окисла, второй «подныриваете >под него в виде участка 〃+-слоя. Этот участок имеет заметное сопротивление (3—— 5 Ом), вносит дополнительную паразитную емкость и занимает сравнительно большую -площадь (для него требуется отдельная
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 создзния соединений полупроводниковой схемн с выводэми корпуса с помощью золотых или элюминиевых проволочек м етодом терм оком пресси и. Для КП используют тот же материал, что и для создания разводки (чаще всего алюминий)； КП фор- мнруют одновременно с создзнием рззводки. Для прбдотврэщения з з м bi кз н 11 и КП на подложку в случаи нарушения целостности окиелз при термокомпрессии под кзжу,ои КП формируют изолированную область (за исключением КП, соединенных с проводниками, имеющими контакт с подложкой). Конструкция КП приве- дена на рис. 1.25.
Рис. 1.26. Фрагмент топологии ИМ С с фигурами совмещения
Рис. 1.27. Варианты фигур совмещения:
а — типа «линия ——линия» (линии креста на шаблоне совмещаются с линиями креста на кристалле); 6 — 0 —с контролируем ым зазором между линиями фигур совмещения на шаблоне н на кристалле
Фигуры совмещения. Фигуры совмещения являются вспомогательными элементами НМС, 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, q—0).
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 28
емкость, небольшие токи утечки, высокую теплопроводность, близость коэффициента термического расширения (КТР) изолирующей области к КТР кремния, большую радиационную стойкость, малую площадь, отводимую под ИЗОЛЯЦИЮ-
Изоляция с помощью р-и-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 обеспе-
чивается р-/2-переходом между подложкой и коллекторными областями элементов ИМС (рис. 1.28). При подаче отрицательного по-
Рис. 1.28. Изоляция двух интегральных транзисторов с помощью р-п-пе- реходовРис. 1.28. Изоляция двух интегральных транзисторов с помощью р-п-пе- реходовтенциала^на зюдложку изолирующий переход смещается" в обратном направлении^и карманы 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 кото-
Рис. 1.28. Изоляция двух интегральных транзисторов с помощью р-п-пе- реходов
Рис. 1.28. Изоляция двух интегральных транзисторов с помощью р-п-пе- реходов
рых по постоянному току велико. Характеристики изоляции могут ухудшаться за счет паразитных емкостей и токов утечки, особенно
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 элементов обратно смещенными р-/г-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 几+-слоя путем диффузии в ^-подложку примеси 孔-тнна перед наращиванием эпитаксиального слоя.
Изоляция диэлектриком. Диэлектрическая изоляция позволяет создавать ИМС с улучшенными характеристиками по сравнению
Рис. 1.29. Последовательность операций альной технологии производства биполярных полупроводникоРис. 1.29. Последовательность операций альной технологии производства биполярных полупроводникоРис. 1.30. Последовательность операций технологического процесса производства биполярных полупроводниковых ИМС с диэлектрической изоляцией элементов:Рис. 1.30. Последовательность операций технологического процесса производства биполярных полупроводниковых ИМС с диэлектрической изоляцией элементов:
Рис. 1.29. Последовательность операций альной технологии производства биполярных полупроводнико
Рис. 1.29. Последовательность операций альной технологии производства биполярных полупроводнико
Рис. 1.30. Последовательность операций технологического процесса производства биполярных полупроводниковых ИМС с диэлектрической изоляцией элементов:
Рис. 1.30. Последовательность операций технологического процесса производства биполярных полупроводниковых ИМС с диэлектрической изоляцией элементов:
планарно-эпитакси-
вых ИМС с изоляцией элементов р-п-переходами:
/— 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 диффузнн в местах формирования скрытых слоев; 4 — диффузия для создания скрытого п+-слоя; 5 — снятие окисла и подготовка поверхности перед процессом эпитаксиального наращивания; 6 — формирование эпитаксиальной структуры; 7 — окисление поверхности эпитаксиального слоя для создания защитной маски прн разделительной диффузнн; 8 — фотолитография для вскрытия окон под разделительную диффузию: 9 — проведение разделительной диффузии н создание изолированных карманов; /0 — окисление; // — фотолитография для вскрытия окон под базовую диффузию; 12 — формирование базового слоя диффузией прнмесн р-типа; 13 — окисление; 14 — фотолитография для вскрытия окон под эмиттерную диффузию; 15 — формирование эмиттерного слоя диффузней примеси п-типа; 16 — фотолитография для вскрытия контактных окон; /7 — напыление пленки алюминия; /8 — фотолитография для создания рисунка разводки и нанесение слоя защитного диэлектрика
/ — структура со скрытым диффузионным слоем на подложке л-типа после операций механической обработки, химического полирования, окисления, фотолитографии, локальной диффузии примесн п-тнпа; 2 — фотолитография для вскрытия окон в окисле перед операцией локального травления кремния; 3 — травление кремния; 4 — снятие окисла； 5 — нанесение окисла, нитрида нлн карбида кремния; 6 — осаждение нз парогазовой фазы слоя высокоомного полнкрнсталлического кремния толщиной 〜2QQ мкм; 7 — сошлифовыванне монокристаллического кремния до получения изолированных диэлектриком карманов н получение рабочей поверхности высокого класса чистоты; 8 — окисление рабочей поверхности; 9 — фотолитография для вскрытия окон под базовую диффузию; 10 — формирование базового слоя; 〃 一 фотолитография для вскрытия окон под эмиттерную диффузию; 12 — формирование эмиттерного слоя; 13 — фотолитография для вскрытия контактных окон; 14 — напыление пленки алюминия; /5 — фотолитография для создания рисунка разводки и нанесение слоя защитного диэлектрика
со схемами, в которых применяется диодная изоляция, а именно: существенно увеличить напряжение пробоя изолирующем 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 МЛ^З, повысить их радиационную стойкость.
Один из технолоГических 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 вариантом?' 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 /?-/?-переходом, а с боковых сторон ——диэлектриком (окислом, стеклом, керамикой).
Таким образом, изоляция р-п^ереходом заменяется изоляцией диэлектриком в наиболее уязвимом приповерхностном слое и с боковых сторон. Наибольшее распространение на сегодняшний день получнлн 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 сИзопланар I》представлена на рис. 1.31, а ——0. 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-
ла окислом точно до краев, так как уделгипяй объем окисла примерно вдвое больше упельното объема кремния. Это обсспсчивает планарность структура перед формированием разводки.
Технологический процесс 《Мзопланар II》(рис. 1.32, а ——а) позволяет уменьшить занимаемую транзистором ИМС площадь на 70% по сравнению с (пла*нарно- эпитаксиальной технологией и на 40% по сравнению с процессом «Изопланар I》.Особенности констр)ч<ции транзистора, сформированного по технологии 《Изопланар I》，заключа-
2 72 7ются в следующем: вывод коллектора отделен от базы и
2 7
2 7
Рис. '1.31. Последовательность операций технологического процесса «Изопланар I»：
а — структура со скрытым и слоями после проведения фотолитографии по слоям окисла и нитрида кремния： 6 — травление кремния; в — формирование разделительного окисла； г — формирование коллектора методом диффузии; д — формирование других областей активных н пассивных элементов метода ми планарной технологии
Рис* 1.32. Последовательность операций технологического процесса «Изопланар II»:а — структура со скрытым слоем и пленкой нитрида кремния;6 ——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 технологииРис* 1.32. Последовательность операций технологического процесса «Изопланар II»:а — структура со скрытым слоем и пленкой нитрида кремния;6 ——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 технологииэмиттера слоем изолирующего толстого окисла и помещен в отдель^ ную область; уменьшение числа фотошаблонов, так как базовую диффузию можно проводить по всей поверхности поспупроводнико- вой структуры, не формируя базовых окон.
Рис* 1.32. Последовательность операций технологического процесса «Изопланар II»:
а — структура со скрытым слоем и пленкой нитрида кремния;
6 ——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
Рис* 1.32. Последовательность операций технологического процесса «Изопланар II»:
а — структура со скрытым слоем и пленкой нитрида кремния;
6 ——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
Особенностями технологического процесса «Изопланар 1Ь 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.
67
Рис. 1.33. Уменьшение размеров ИМС, сформированных с применением пла-* нарно-эпнтаксиальной технологии (а), технологий «Изопланар Ь (6) и «Изо- планар II» (й)
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 ——s.
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-/г-пере- 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:
kRIR — АКф/Кф + A Ps/Ps +；(LI)
Кф=〃〃 = А/р$,(1-2)
где Кф ——коэффициент формы резистора; Д^ф/^ф ——относительная погрешность коэффициента формы резистора; Ар$/р$ — относительная погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления легированного слоя, для типовых технологических процессов Aps/ps=0,054-0,1; ан — температурный коэффициент сопротивления резистора (см. табл. 1.5); алДГ — 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 力paw резистора принимают значение, которое не меньше наибольшего значения одной из трех величин:匕丁^口，匕тотн,匕f, t. e. 匕расчетах{力техн, ^точн,匕р}, где ЬтеХн ——минимальная ширина резистора, определяемая разрешающей способностью технологических процессов; ЬТочн——минимальная ширина резистора, . при которой обеспечивается заданная погрешность геометрических размеров; ЬР ——минимальная ширина резистора, определяемая из максимально допустимой мощности рассеяния.
Величину ЬТехн находят из перечня технологических ограничений выбранной технологии (например, для планарно-эпитаксиальной технологии %工口=5 мкм).
Ширину Ьточн определяют из выражения '
%нн = ^Ь^ А〃КФ) %/АКф,(1.3)
где АЬ и Д/ ——абсолютные погрешности ширины и длины резистивной полоски, обусловленные технологическими процессами.
Для типовых технологических процессов (А6 = А/=0,05+ 0,1 мкм)
(1.4)(1.4)АКу К虫=kR【R— APs/ps— (XrAT.
(1.4)
(1.4)
Ширину bP определяют из выражения
(1-5)
где 戶о ——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 : L и т. д., определяют шаг координатной сетки для фотошаблона, затем промежуточное значение ширины резистора:
^пром' ^расч 2〈Мрав + 工//),(L6》
где Дтрав—погрешность,-вносимая за счет растравливания окон в маскирующем окисле перед диффузией (для типовых технологических процессов Атрав = 0,2+0,5 мкм); Ау—■ погрешность, вносимая за. счет ухода диффузионного слоя под маскирующий окисел в боковую сторону (ориентировочно \у 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 ИМ С.
Если Ьпрох^Ьтехн, то за &топ принимают равное или ближайшее к ЬПром большее значение, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии.
Реальная ширина резистора на кристалле
力=瓦。" + 2(△环 + m).(1-7) у
ЕСЛИ В 匕npo、i V 匕техн, то за Ьтоп принимают равное или ближай- 出 шее к 匕техн большее значение, кратное шагу координатной сетки. Реальную шнрнну резистора на кристалле определяют так же, как и в первом случае.'
Расчетную длину резистора определяют по формуле
Iрас产 b (RIQs —几凤—几晟—0.55NизГ),(1-8)
где NH3f——количество изгибов резистора на угол 冗/2; %,左2 ——поправочные коэффициенты, учитывающие сопротивление контактных областей резистора (рис. 1.34, a ——е н 1.35, а ——а), зависящее от конфиг)7рации контактной области резистора, соотношения размеров контактного окна L), контактной области 厶2 н реальной ширины резистора b с каждой его стороны； п\ и "2 ——число контактных площадок (обычно 〃 = 2).
Следует учитывать, что реальная длина резистора I на кристалле будет меньше топологической длины /топ на чертеже топологии за счет }^величення геометрических размеров контактных областей
резистора с обоих концов в результате боковой диффузии. Поэтому сначала оценивают промежуточное значение длины резистора
厶= /ран + 2 (Д.(рав -j- Ay] •(1.9)
За топологическую длину резистора /ТОп принимают ближайшее к /пром значение длины, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии.
Рис. 1.34. ЛинииРис. 1.34. Линиитока и эквипотенциальныетока и эквипотенциальныеслое:слое:поверхности вповерхности врезистивномрезистивном
Рис. 1.34. Линии
Рис. 1.34. Линии
тока и эквипотенциальные
тока и эквипотенциальные
слое:
слое:
поверхности в
поверхности в
резистивном
резистивном
口口“ изгибе резистора под прялгым утттом; 6—у металлического контакта; 8 — у металлического контакта пинч-резистора口口“ изгибе резистора под прялгым утттом; 6—у металлического контакта; 8 — у металлического контакта пинч-резистора力力1)1)Рис. 1.35. Значения зпеторов приРис. 1.35. Значения зпеторов при”2”2勿4勿4么2 〃J么2 〃J口 2 4 5 ?历?2口 2 4 5 ?历?2ГМ»ГМ»
口口“ изгибе резистора под прялгым утттом; 6—у металлического контакта; 8 — у металлического контакта пинч-резистора
口口“ изгибе резистора под прялгым утттом; 6—у металлического контакта; 8 — у металлического контакта пинч-резистора
力
力
1)
1)
Рис. 1.35. Значения зпеторов при
Рис. 1.35. Значения зпеторов при
”2
”2
勿4
勿4
么2 〃J
么2 〃J
口 2 4 5 ?历?2
口 2 4 5 ?历?2
ГМ»
ГМ»
2
коэффициентов /г( и k2 для расчета диффузионных ре- различных конструкциях контактных областей：
°' е — 口" ннзкоомных резисторов; б, в — для высокоомных резисторов
Реальная длина резистора на кристалле
/二/⑷一 2 (Ат+ △//)・(1,10)
Отклонение размеров резистивной области за счет погрешно- стей Дтрав и Ау следует обязательно учитывать при определении величин Li и 厶 н выборе коэффициентов 自 и 局.
При окончательном определении топологических значений ^топ и /топ рассчитывают сопротивление спроектированного резистора и погрешность, нспользуя 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, 6, г, О
R=?s(l/b + 2^(1.И)
для резистора рис. 1.15, в
R = Ps[& + /2)6 + 3 如(1.12)
для резистора рис. 1.15, е
R = Ps (乙/方 + 2々 + 0,55m3)(1.13)
где 厶一суммарная длина прямолинейных участков;
для пинч-резистора рис. i.15,宛
R = Q’sMb + Ps I& + /з)/6 + 2財，(1.14)
где ps'——поверхностное сопротивление базового слоя, ограниченного эмиттерным слоем; pg — поверхностное сопротивление базового слоя.
Конструирование и расчет параметров конденсаторов. Исходными данны?ли для расчета конденсаторов являются: необходимое значение емкости С и допуск на него ДС; рабочее напряжение U, В; интервал рабочих температур АТ, ℃; рабочая частота 力 Гц; основные технологические и конструктивные ограничения. При расчете
а) •5)6/а) •5)6/Рис. 1.36. Структуры конденсаторов полупроводниковых ИМС на основе переходов Э ——Б (а), К ——Б (6), К ——П (8), параллельно включенных переходов Э—Б и К — Б (г), МДП-конденсатора (0)Рис. 1.36. Структуры конденсаторов полупроводниковых ИМС на основе переходов Э ——Б (а), К ——Б (6), К ——П (8), параллельно включенных переходов Э—Б и К — Б (г), МДП-конденсатора (0)
а) •5)6/
а) •5)6/
Рис. 1.36. Структуры конденсаторов полупроводниковых ИМС на основе переходов Э ——Б (а), К ——Б (6), К ——П (8), параллельно включенных переходов Э—Б и К — Б (г), МДП-конденсатора (0)
Рис. 1.36. Структуры конденсаторов полупроводниковых ИМС на основе переходов Э ——Б (а), К ——Б (6), К ——П (8), параллельно включенных переходов Э—Б и К — Б (г), МДП-конденсатора (0)
необходимо выбрать тип и конструкцию конденсатора, определить его геометрические размеры, занимаемую площадь. На рис. 1.22, 1.23, 1.36, о ——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=С + C^ab^ CQ6(a^- b) xh (1.15) где Со и СОб ——удельные емкости донной и боковых частей р-п-пс- рехода; а, b и Xj ——геометрические размеры р-п-перехода.
Соотношение слагаемых зависит от отношения а/b, Оптималь- ным является отношение a/b~ 1, 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,修 находят геометрические размеры конденсатора квадратной формы； если для топологии ИМС требуется конденсатор прямоугольной формы, то один из раз- меров прямоугольника выбирают, исходя из конструктивных со- ображений. Расчет еще более упрощается, если значением Со ок можно пренебречь. Для расчета ДС необходимо учесть погрешно- сти технологии при выполнении геометрических размеров диффузионных слоев и отклонения емкости от номинального значения за счет изменения температуры.
Емкость МДП-конденсатора определяется выражением
, C=0,0885eS/〃=&)S, (1.16)
rge £ и d ——относительная диэлектрическая проницаемость (для Si。？ £=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 рассчитыва- ют по формуле Unp=Enpd, где ЕПр — электрическая прочность ди- электрика (для SiC)2 ^пр— 107 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 таком 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 (I ——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 几十-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 умень山ення 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- Ю16 см~з, так как на поверхности этого слоя возможно образование инверсного проводящего канала 〃-тнпа, 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 сопротивлении 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一 частотные характеристики, площадь базы — емкость перехода база — коллектор и распределенное сопротивление базы, площадь коллектора ——емкость перехода коллектор——подложка и последовательное сопротивление коллектора.
В маломощных (0,3Vpe3 мВт) и микромощных (1＜PV ＜300 мкВт) цифровых ИМС размеры всех областей транзистора стремятся выполнить минимальными, и а 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, о, 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, а ——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＜尸＜25 мВт) й большой (25＜尸＜ ＜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 перемычки. 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： iioii мощности приводит к ряду нежелательных эффектов. Так, в результате технологического разброса параметров отдельные эле-
ментн транзистора имеют различные сопротивления и входят в ре- *им 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-
777,5
3
^~~Tt—
д)
Рис. 1.37. Банк данных о топологии интегральных биполярных транзисто-ров： одноэммттерных (а —宛)；многоэмиттерных (з — л); с общим кол-лектором (лг)
Рис. 1.37. Продолжение
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, о — 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 (о, 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 ем кости 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.
§ 14 Разработка топологии ИМС
Основой для разработки топологии полупроводниковой ИМС являются электрическая схема, требования к электрическим параметрам и к параметрам активных и пассивных элементов, конструк- тивно-техпологические 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 со
здание 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 зазор между проводни
Рнс. 1.39. Соотношение размеров областей транзистора со стандартным размером dРнс. 1.39. Соотношение размеров областей транзистора со стандартным размером dками, минимальное расстояние между краями эмиттерной и базовой областей и т. д. Пусть минимальный размер, который 立ох《ет 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 раз- Aiepa d на величину боковой диффузии
Рнс. 1.39. Соотношение размеров областей транзистора со стандартным размером d
Рнс. 1.39. Соотношение размеров областей транзистора со стандартным размером d
под окисел, которая при разделительной диффузии примерно равна толщине эпитаксиального с^оя с?э. Таким образом, при ■минимальном размере 10 мкм минималь-
Бая 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 d? = 3 мкм составит 〜28 мкм.
Приведенные рассуждения верны, если суммарная величина Зоково宜 диффузии при формировании базовой и эмиттерной обла-
стсй с}чцсствснно меньше d. Если это условие не выполняется, то для минимально допустимого топологического зазора между двумя диффузионными областями справедливо соотношение
^д.о》D1+ У2 + »ф+叫，(1」7)
где у\ и у?——величины боковой диффузии под окисел; бф ——суммарная допустимая ошибка в положении края окон под диффузию за счет фотолитографии； W\ ——максимальная ширина области объемного заряда в работающем приборе.
Приведенное неравенство можно не учитывать при d=10 мкм (см., например, рис. 1.40), но при d&5 мкм с ним приходится счи-、 таться н 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 几+-слой; 2 — подложка р-типа; 3 — коллектор (эпитаксиальный слой)： 4 — область разделительной диффузии
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
Расстояние от центра скрайбирующей полосы до края слоя металлизации или до края диффузионной области
Размер контактных площадок для термокомпрессионной приварки проводников 2【
Расстояние между контактными площадками d?
Размер контактных площадок тестовых элементов рабочей схемы
Ширина проводника &: при длине《50 мкм
при длине ^50 мкм一
Расстояние между проводниками d《：'
при длине W50 мкм при длине ^50 мкм
Ширина области разделительной диффузии rf5
Расстояние от базы до области разделительной диффузии 》б • .
Расстояние между краем области подлегироваиия коллекторного контакта и краем разделительной области
Расстояние между краем разделительной области и краем скрытого л+-слоя de
Расстояние между краем контактного окна в окисле к коллектору и краем базы dg
Расстояние между краем контактного окна в окисле к базе и краем базы d10
Расстояние между эмиттерной и базовой областями 办 Расстояние между краем контактного окна в окисле к эмиттеру и краем эмиттера di2
Расстояние между контактным окном к базе и эмиттером &з
Расстояние между базовыми областями, сформированными в одном коллекторе
Расстояние между эмиттерными областями, сформированными в одной базе
Расстояние между контактным окном к коллектору и областью разделительной диффузии d^
Размеры контактного окна к базе di Размеры контактного окна к эмиттеру 九
Ширина области подлегировання 九+-слоя в коллекторе ^17
Ширина контактного окна к коллектору %
Ширина резистора d^
Размеры окна вскрытия в окисле
Перекрытие металлизацией контактных окон в окисле к элементам ИМ С йго
6050—100100X1007050X506050—100100X1007050X500 4 5 X ООО о X X X S 46 344 1 1 1 7 33 3 4 9 6 1443 8452 20 4 5 X ООО о X X X S 46 344 1 1 1 7 33 3 4 9 6 1443 8452 2Расстояние от края контактного окна к р+-разделитель- ным областям для подачи смещения до края области разделения d21
60
50—100
100X100
70
50X50
60
50—100
100X100
70
50X50
0 4 5 X ООО о X X X S 46 344 1 1 1 7 33 3 4 9 6 1443 8452 2
0 4 5 X ООО о X X X S 46 344 1 1 1 7 33 3 4 9 6 1443 8452 2
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 с^з 100Х100
Расстояние от края окна в пассивации до края контактной площадки ^24 6
Расстояние между соседнимирезисторами 〃25 7
Расстояние между диффузионными и ионно-легированными резисторами 4
Расстояние между контактной площадкой и проводящей дорожкой ^26 20
Ширина скрытого 〃+-слоя 4
Расстояние между контактными площадками тестовых элементов 40
Следует обращать особое внимание на размеры топологических зазоров, так как при неоправданно малых их значениях И?АС или не будет функционировать из-за перекрытия областей структуры (например, базовой области н области разделительной диффузии)г 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 об- л а с т е й. Количество и размеры изолированных областей оказывают существенное влияние на характеристики ИМС, поэтому:
суммарная площадь изолирующих р-/г-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;
к изолирующим р-/г-переходам всегда должно быть приложено напряжение обратного смещения, что практически осуществляется подсоединением подложки р-тнпа, или области разделительной диффузии р-тнпа, к точке схемы с наиболее отрицательным
потенциалом. При этом суммарное обратное напряжение, приложенное к изолирующему р-лг-переход)\ не должно превышать напряжения пробоя;
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 штания (рис. 1.42, а, 6)；
Рнс. 1.42. Принципиальная электрическая схема цифровой ИМС на токовых ключах (а) и преобразованная электрическая схема для составления эскиза- топологии (6)
резисторы на основе эмиттерного и коллекторного слоев следует располагать в отдельных изолированных областях;
транзисторы типа п-р-п, коллекторы которых подсоединенье непосредственно к источнику питания, целесообразно размещать 珏 одной изолированной области вместе с резисторами;
транзисторы типа п-р-п, которые включены по схеме с общим коллектором, можно располагать в одной изолированной области;,
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; '
для уменьшения паразитной емкости между контактными площадками и подложкой, а также для защиты от короткого за- мыкания 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;
количество изолированных областей для диодов может сильно изменяться в зависимости от типа диодов и способов их вклю-
чения. Если в качестве диодов нспользуются переходы база ——коллектор, то для каждого диода требуется отдельная изолированная область, так как каждый катод (коллекторная область п-типа) должен иметь отдельный вывод (рис. 1.43, а). Если в качестве диодов используются переходы эмиттер ——база, то вес диоды можно поместить в одной изолированной областп/При этом все катоды диодов (эмиттерные области) сформированы отдельно в общем аноде (базовой области, рис. 1.43, 6). 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 (/—базовые области р-тнпа; 2 — коллекторные области zi-типа; 3 — подложка; 4 — коллекторные контакты); 6 — на основе перехода БК—Э (/ — подложка; 2 ——коллекторная область %-типа; 3 — базовая область 卩-типа; 4 — эмиттерные области "-типа; 5—перемычка коллекторбаза).
для диффузионных конденсаторов требуются отдельные изолированные области. Исключение составляют случаи, когда один из выводов конденсатора является общим с другой изолированной областью;
для диффузионных перемычек всегда требуются отдельные изолированные области.
Правила размещения элементов ИМ С н а 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:
при размещении элементов ИМС и выполнении зазоров между ними необходимо строго выполнять ограничения (см. рис. 1.41), соответствующие типовому технологическому процессу;
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;
резисторы с большой мощностью не следует располагать вблизи активных элементов;
диффузионные резисторы можно пересекать проводящей'дорожкой поверх слоя окисла кремния, покрывающего резистор (см. рис. 1.42, 6);
форма и место расположения конденсаторов не являются критичными?
соединения, используемые для ввода питания, заземления, входной и выходной выводы, необходимо выполнять в виде широких и коротких полосок, что уменьшает паразитные сопротивления;
для улучшения развязки между изолированными областями контакт к подложке следует располагать рядом с мощным транзистором или как можно ближе к входу или выходу схемы；
число внешних выводов в схеме, а также порядок расположения и обозначения контактных площадок выводов ИМС на кристалле должны соответствовать выводам корпуса;
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;
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 за- висимости от типа выбранного корпуса по периметру кристалла или по двум противоположным его сторонам;
фигуры совмещения располагают одной-двумя группами на любом свободном месте кристалла;
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 то п о л о- гни. 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 ме- таллизированнон дорожке, пересекающей диффузионный резистор по окислу на топологической схеме.
На этапе эскизного проектирования топологии необходимо предусмотреть решение следующих задач: расположить как можно большее ч-исло резисторов в одной изолированной области； подать наибольший потенциал на изолированную область, где размещенье
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 запа- ■сами 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 составле- НР1Я эскизов топологии для отдельных групп элементов, затем объ- •единить 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: эмиттерного——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, я 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 пло- хцадь 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 конструктив- 8blM 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 п проверочного варианта топологии ИМС, выполняют чертежы слоев схемы, необходимые для создания комплекта фотошаблонов. Для ИМС со скрытым слоем и изоляцией элементов р-/г-переходами, изготовляемой по планарно-эпитаксиальной технологии, необходим комплект из семи фотошаблонов для проведения следующих фотолитографических операций: / ——вскрытия окон в окнсле 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;
— 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 приконтактных областей в коллекторах транзисторов； 5 ——вскрытия окон в окисле под контакты разводки к элементам ИМС; 6 ——фотолитографии по пленке алюминия для создания рисунка разводкн 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 7\, транзистор выходного каскада「2, входные диоды "【—"厶 диод промежуточного каскада 力5, пассивными элементами — резисторы R、—/?4.
После проверочного расчета схемы проводят расчет геометрических (топологических) размеров пассивных и активных элементов.
Для схемы рис. 1.44 а в качестве транзистора промежуточного каскада Т] 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 Д5 и тестовый транзистор (рис. 1.44 в).
Транзистор выходного каскада 7\ 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-л-перехода база ——коллектор транзисторной структуры. .Диод промежуточного каскада Д5 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.
г
J Lm」_
&
uf1
7
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 Гр 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
Механизм работы и классификация
МДП-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.
худшую технологическую воспроизводимость параметров и большую временную нестабильность.
МДП-трар1зистор 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 сто- ком и истоком под действием напряжения, приложенного к управляющему электроду (затвору), отделенному от поверхности полу- проводника 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 встроен- ннм каналом и с индуцированным каналом.
нй*Н只* граница каналанй*Н只* граница каналаРис. 2.1. МДП-транзистор с индуцированным каналом р-типа: а — упрощенная конструкция; б — условное обозначениеРис. 2.1. МДП-транзистор с индуцированным каналом р-типа: а — упрощенная конструкция; б — условное обозначениеРис. 22 МДП-транзистор с индуцированным каналом /г-типа:Рис. 22 МДП-транзистор с индуцированным каналом /г-типа:а — упрощенная конструкция; б — условное обозначениеа — упрощенная конструкция; б — условное обозначение
нй*Н只* граница канала
нй*Н只* граница канала
Рис. 2.1. МДП-транзистор с индуцированным каналом р-типа: а — упрощенная конструкция; б — условное обозначение
Рис. 2.1. МДП-транзистор с индуцированным каналом р-типа: а — упрощенная конструкция; б — условное обозначение
Рис. 22 МДП-транзистор с индуцированным каналом /г-типа:
Рис. 22 МДП-транзистор с индуцированным каналом /г-типа:
а — упрощенная конструкция; б — условное обозначение
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 О。，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 А^ДП-транзистора с встроенным каналом такова, %то создание канала в тонком приповерхностном слое полупроводника предусматривается самой технологией производства. Поэтому конструкция такого транзистора будет отличаться от конструкций, представленных на рис. 2.1, о, 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-п-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 п-ка- нальные 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, 6・
Существует классификация МДП-транзисторов по конструктивно-технологическим признакам (чаще по виду материала затвора) (см. § 2.3).
Интегральные микросхемы, содержащие одновременно р-ка- нальные и n-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.
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) почти1 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 (ис- ток) —подложка МДП-транзисторов. Требуемое значение емкости конденсатора обеспечивается площадью областей затвора, стока или истока МДП-трапзистора. '
На основании изложенного можно утверждать, что МДП-тран- знстор 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.
Технологические процессы производства МДП-ИМС
В МДП-ИМС нет необходимости применять дополнительные об- ластн 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. ‘
• 4• 4Наибольшее 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.
• 4
• 4
На рис. 2.3 показана .последовательность технологических операций при производстве р-ка- нальных МДП-ИМС с алюминиевыми затворами, на рис. 2.4 — zz-канальных МДП-ИМС с кремнне- вь1ми 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 р$=30+35 Ом/П, глубина залегания
Рис. 2.3. Последовательность технологических операций при производстве р-канальных МДП-ИМС с алюминиевыми затворами:
/ — окисление кремниевой пластины /г-типа; 2 — фотолитография для вскрытия окон под области стоков, истоков и диффузионных шнн; 3 — локальная загонка примеси p-типа в поверхностную об- ласть будущих стоков и истоков методом ионного легирования н 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 н истоков; 6 — фотолитография для вскрытия окон под контакты к областям стока, истока н диффузионным шинам; 7 — нанесение пленки алюминия н фотолитография для создания рисунка раз- водкн; 5 — нанесение пассивирующего слоя ФСС с последующим фотолитографическим вскрытием окон над контактными площадками и областями скрайбирования
р-п-перехода x；= (1,0±0,2) мкм; для р+-области ps=40+60 Ом/口》 Х/= (1,5±0,3) мкм; области р-карманов, являющиеся как бы подложкой /г-канального транзистора в КМДП-ИМС, легированы “о концентрации 2-1016 ат/см3 и имеют значение 巧=(6± 1) мкм; пленки поликрпсталлического кремния толщиной ^0,5 мкм, используемые в качестве проводящих шин, имеют psW50 Ом/П при легиро- вании их фосфором и psVl。。Ом/口 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 характеристики МДП-структур, относятся: тип электропроводности и (р); концентрация примеси в пластине "о, см^3 или удельное объемное сопротивление pv, Ом-см; подвижность носителей заряда в канале 卩冗 или 卩р, см2/(В-с); концент-
п , И
jUzLJ
р
и
М
Г1 I I LJ
口
II и
п
Zk
2з
力
Рис. 2.6. К определению кон-структивных параметров МДП-транзистора
рация поверхностных состояний уУповх см~2; диэлектрическая проницаемость
Основными конструктивными параметрами МДП-транзистора (рис. 2.6) являются: длина канала 厶，мкм; ширина канала Ь^ мкм; толщина затворного диэлектрика 用口， 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- тур (см. табл. 2.1).
К основным электрическим параметрам и характеристикам МДП-транзисторов относятся: стоковая характе-
рнстика /с=/(^с) при t73 = const; стоко-затворная характеристика /с = /(°з) при Uc = const; пороговое напряжение Uo, В; крутизна М,. A/В, и удельная крутизна S°, A/В2; дифференциальное сопротивление канала &, Ом; входное сопротивление Rbx, МОм; паразитные межэлектродные емкости С3п, &% Сзс, &“，Gm, &”，пФ； постоянная
времени канала тк, нс.
У3Н1НВ1НОУ = IquonlB"я= ^оузг^аоЕ。关 заои ^s^soffioac Х=^иогян^лно2 工工700<! ，工с|оф BlfF -с-^та&ион = е.оно_^ н к 三1WOEB Шахос-ЗЕЯХ 丨二 二二EUJO-ul 弓 0106 WOUOION NlyElHoy HOU HOMO Q-"H3^^ora I二K=n ■КК-ОМД KEjolfuwQлс-^^но OJOH1R工 HIT二 ‘Оаобзоф QHOUOIIEH 丨 6 -XKO5 K--=--ssoa 二TJQFOHHOH 8①。① w Hu PM二OJCBdB 二二 0 ♦a80Hlzо а онноуинлоIm 二 VH 二 Ego-Jolf K-qHHOH Еаофоф HXHOJBOHHOHQHOdu H olfo 工 ^-лхх rt&KO-^ "" ННГПА EodoluMgHEU-L XIqHqlfHB 工，8。工 O1UH -BO^OHO ^oborac-^o 0sxrtfflo&a^04 Hou но 工。KHl-qd 工кс-й- кнф ・aJ01Hlf006 ss^ -w①EoaHJOy w-qHHOH dos^xourtM OHHOHOBOau н lloyo 工 Хш1ви ，xo・d н xaai Eoaog&llnuJ X二qire 二 E・ go 工 O-LUH -Шошони _luBy90 оа=лео--=.-оц uou но 工。 BHl-qd 工JKlrKM6clo=lfoloe 丨 z -Hm н шоаошнгам x8① H=od 工 Ks~raso^«^s •аоф ByOH二支一工 AWOHJOhHIflrel?工弓 ou Oil «s^rt&UOHX^OHO^ H H 二ou工 O.10H“h •二弓『PLUHayHlfou H 工①弓二 0= = 00^ = л=丨9 二IH ，K3dy ra5-so OJOlluoBlEmuon OHHCod三doe — g mQlfo工 XEHHPdxo н =Hm XWHHOHSAS •ФНВ -MOGOHOS^XrtaH хз-зк-л-л^-^ анолс-юо you но 工 о KHl-qd 工KITK=^~ -^UOHac-OHO^ —寸-Pao9 л^хо^мя^ KP=BMOUaoHUO 二 21H •oc-os^o ・nlulf9o ознз&^от отd09 OHHQd ■ sxffl QOHHOH — K ^0a0H0 = 2S^H Xlq-EE二 ■ ra^'c KHUDmoNCBU LIOLUE弓9。КЕНВдомниоф н ЕШ41& =WHUU oi 工mRou homo KHllqdHun к 弓口 KHeBUJOJH 弓 Olof丨 Z 1E= ，工，d 14HHluelru ^Offlo=s-^O^M ^"---05=^0 —、 ♦OBIEm HWHQBHHWBdxuowH—u口 wx QBIUBOBmHodu S^K ^s^ra^oco ^s^o^^su ，0F0HX3qgHqlrBI-EBOBBWUOLI ・9Z Jd
^o^rt^oc-c x-ql 匚工 тноя=
HMHOamEa=OH°Jh=y弓Енагв工二>2Hb=BHOd wdoe KEHeBUJOJ，二一тоюф = n 三二-WO-FR -2-0ЧЕH。二】E丨二 二匚2 二二二 二 s-HoaH • a« WIqao二wacbi CBHOIUH aolKKSBIrgo £1 工 PJ.HO 工 uo= homo KSH-J^^03 к 5 KH •EdJOтоюф — 0、 二口hhwoU 工 B5二0 HL・H uue工二oyu) ImKyogM «ox«040^^s 0二= ■щоокгах 丨 6 一с|офоофOHHOJpa со-"хо-^о^д ，0二口0 H SOSXQC-0-20mo-A 口oyuou 0 BMOIUH -и^оно HOIUE^go коаофоф од=ташо&-ишс- 00 = ，二 OH 丨小 WHepuJolwfoLOViOHOLOW §m H HodoBIEx-qOHou 工 o=xrasoa = s^o^ -50^0^- ,oe khhphoU二 Jar ojo二OHA口 woll BHHWOaOJOHUOhHIfyFJUHd 工二弓 OU IHHOlr 二 SHO ■OESrf-оаоак DssmIHO 二 — z --ЕЕФ HoqoeEJ ekhhwod工 CJOXZhHEfESHdMHyoIl HHHOyu OHHJEIPII — 9 6口 odoion工 Eo^^u AOHOIr ，0H 工。ByHcuyoyGHOuo-SO«H-Mtf-OE o--=rtrao^- -HwdoB—g 三=rn X3 = --O=n^-V^-^ н та&оьо- ‘HIPI>I_n7w анойс-oo EOU HOMO KSHS^^Ort КК-Й- -^-"^ Л&.5Н^К.ОНО^ ——寸 二亡①slf=H0 s3 = aoHao-^ ss^do-^rf-o5OE о доаоноам=л--н K3SHSMra&rac XNHHOH。。巴二i BHHBHO二vdoq) HluoHIBOdoB KHMONCHH。 Ks ""Hortc.^0' 0二 qd 工за oh edog OHHOdlroHH оош 亠 омIg Kod ，OIH二Edi KHmAtrs ^оногас-^о ^-л=-"с-^^ос- ood 工-=lByu HJUOHXdosou ^оод 00 e『 —u二工。к = нк=о кии二 CPBdJcmllfooq) — N ml ，三L，d -q二二 luelfu ^oao=s-^o--^二 207ЮI「
&HHWQdH 0 UWI'Law X3=J^^^^^'^ 33HOoIuu ^sa^^^EO x-IMUOhml
—0§^XOH qluoHqyal-BQOaemo 匚•aHd
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 /г- и р-канальных МДП-тран- зисторов приведено на рис. 2.7, 6. Условно их можно разделить на
а)6)в)
Рис. 2.7. Схемы включения (а), стоковые (6) и стоко-затворные (в) статические характеристики п- и р-канальных МДП-транзисторов 、
два участка: крутой и 'пологий, где наблюдается насыщение стокового тока /с при достаточно большом стоковом напряжении U^. Границу насыщения характеризуют напряжением насыщения
Лз — и。(2.1)
(знаки при & и % соответствуют типу электропроводности индуцированного канала).
Семейство стоко-затворных характеристик приведено на рис. 2.7, в. Начало всех характеристик соответствует пороговому напряжению U& При стоковых напряжениях, соответствующих режиму насыщения (Uc》Uch), характеристики практически сливаются.
Аналитическое выражение стоковой характеристики имеет вид 厶=号虻［2伉亿—4)一鳴 при Z7c<Z73-t/0 (крутой участок),
(2.2)
/с= М°з 曲 К ,亿_仇)2 При 4>。3-仇(пологий участок), 4(2.3)：
где Сз0 ——удельная емкость затвора относительно канала, определяемая по формуле
С3о=6о£д/Ад(2.4)
(8Д ——диэлектрическая проницаемость затворного диэлектрика).
Усилительные свойства МДП-транзистора характеризуются крутизной стоко-затворной характеристикиГ^
диз I t/cw= const./
Продифференцировав выражения (2.2), (2.3), получим значение крутизны для крутого и пологого участков стоковой характеристики соответственно:
S=^/_Uc = S°Uc при 伉《亿一а,(2.5)
(4一仇)=品(4-%)при а〉仇一仇，(2.6)
где So ——удельная крутизна.
Из выражений (2.5), (2.6) видно, что крутизна МДП-транзисто- ра 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:
Sq = ^C^bj ZK.(2.7)
Аналогично, дифференцируя выражение (2.2), можно определить сопротивление канала для крутого участка характеристики:
*石小^」…)叩Н，,а4-仇.(2.8)
Для определения сопротивления канала в пологой области стоковой характеристики существует эмпирическая формула
Sj亿一3
где SJ ——удельная крутизна, вычисляемая опытным путем; п= = 1+2 ——коэффициент, зависящий от технологии изготовления.
Пороговое напряжение связано с электрофизическими параметрами МДП-структуры соотношениями
—J-2cp<p. для р-канального транзистора, СзО/
.(2.10)
^о = —1?мп|—Н--—-Ь2<?ф для /z-канального транзистора.
■(2.11)
Здесь фмп — разность потенциалов, определяемая разницей в рабо- тах выхода полупроводника п материала затвора, в частности металла (в случае алюминиевого затвора эту величину определяют по графику рис. 2.8 по известной концентрации примесей в полупроводниковой пластине А% и типу ее электропроводности); Qss> Qu ——соответственно плотности заряда поверхностных состояний на границе полупроводника и диэлектрика и пространственного заряда в полупроводнике.
Плотности зарядов определяют по выражениям
Qss=qN、g(2.12)
Qu =，22nNo?%,(2.13)
nic q — заряд электрона；屮①,一потенциал, зависящий от положения уровня Ферми в пол^^проводнике относительно середины запрещенной зоны:
?ф.=?т ХпЫ^гц,(2.14)
разности • потенциалов 呻мп для системы А1—Si от концентрации примеси в кремнииразности • потенциалов 呻мп для системы А1—Si от концентрации примеси в кремнииtrc фт ——температурный потенциал (〜0,026 В); щ ——собственная $。患^н：рау【я носителей в полупроводнике, равная для кремния 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 屮仙口 за счет подбора материала затвора и уменьшения плотности поверхностных состояний Niwb, которая зависит от качества поверхности и ее ориентации относительно плоскостей кристаллической решетки.
разности • потенциалов 呻мп для системы А1—Si от концентрации примеси в кремнии
разности • потенциалов 呻мп для системы А1—Si от концентрации примеси в кремнии
твор — сток (исток) —сотен мегаом.твор — сток (исток) —сотен мегаом.Для определения паразитных емкостей и входного сопротивления необходимо снова обратиться к конструкции МДП-транзисто- ра, представленной на рис. 2.6. Как видно из рисунка, входное сопротивление &вх равно сопротивлению утечки конденсатора за- 1и затвор — подложка и достигает десятков
твор — сток (исток) —сотен мегаом.
твор — сток (исток) —сотен мегаом.
Паразитные межэлектродные емкости МДП-транзистора завн- •сят от геометрических размеров стока, истока, затвора и определяются (при симметричном расположении стока н истока) по формулам:
ем кость затвор — сток (исток) 以=爲=以九(厶一4)/2,⑵15)
емкость затвор — подложка
Сзп =С е% к,(2.16)
емкость сток (исток) — подложка
Ccn = Cnn = CjQ [6, + 2 (4 + 4) 〃儿(2.17)
емкость сток — исток
,= &п/2・(2.18)
В схеме с общим истоком (рис. 2.7, а)
^си~ ^*сп*(2.19)
Удельную емкость обратно смещенного перехода сток — подложка Cj о определяют по эмпирической формуле
5。=1耍二，(2-20)
'U Лиф + U cmln
где ^/диф ——диффузионный потенциал перехода сток ——подложка (〜0,7 В); Ucmin ——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:
%=以 + 以，(2.21)
Свнх=Сс“・(2-22)
Быстродействие МДП-транзисторов ограничивается временем релаксации заряда в активной области транзистора, которое характеризуют постоянной времени канала тк：
W == СзпАк，
(2.7), (2.16),(2.231(2.7), (2.16),(2.231Подставляя сюда значения из выражений (2.8),
(2.7), (2.16),
(2.231
(2.7), (2.16),
(2.231
м(/ — ％ —Ом(/ — ％ —Опри Uc《U3—U0.при Uc《U3—U0.получим
м(/ — ％ —О
м(/ — ％ —О
при Uc《U3—U0.
при Uc《U3—U0.
Постоянная времени канала, равная 10-9——10-10 с, много мень- ше 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 &1Ш и Ren обозначены со-
Рис. 2.9. Эквивалентные схемы МДП-транзисторов: а — полная; б — упрощенная (для аналитических расчетов)Рис. 2.9. Эквивалентные схемы МДП-транзисторов: а — полная; б — упрощенная (для аналитических расчетов)
Рис. 2.9. Эквивалентные схемы МДП-транзисторов: а — полная; б — упрощенная (для аналитических расчетов)
Рис. 2.9. Эквивалентные схемы МДП-транзисторов: а — полная; б — упрощенная (для аналитических расчетов)
противления закрытых /?-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 нагрузкойРис. 2.10. Схема инвертора с пассивной нагрузкойРис. 2.11. Вольт-амперные характеристики нагрузочного транзистора: /-%=%£ 2-и3=и^+и0；з — ^з^^и.щ+^оРис. 2.11. Вольт-амперные характеристики нагрузочного транзистора: /-%=%£ 2-и3=и^+и0；з — ^з^^и.щ+^о
Рис. 2.10. Схема инвертора с пассивной нагрузкой
Рис. 2.10. Схема инвертора с пассивной нагрузкой
Рис. 2.11. Вольт-амперные характеристики нагрузочного транзистора: /-%=%£ 2-и3=и^+и0；
з — ^з^^и.щ+^о
Рис. 2.11. Вольт-амперные характеристики нагрузочного транзистора: /-%=%£ 2-и3=и^+и0；
з — ^з^^и.щ+^о
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-Г2. Рассмотрим вначале более простой случай, когда нагрузочный транзистор Т\ включен как нелинейный двухполюсник (затвор объединен со стоком). Вольт-амперной характеристикой такого двухполюсника является геометрическое место точек, в которых выполняется условие Uc= U^ Она представляет собой параболу, описываемую выражением
/c=So/2(q-a)2,
целиком лежащую в пологой области стоковых характеристик (кривая / на рис. 2.11).
Основной статической характеристикой инвертора является его
明 Uo2 生了%〃“物明 Uo2 生了%〃“物Рис. 2.12. Передаточная характеристика инвертора с нелинейной нагрузкойРис. 2.12. Передаточная характеристика инвертора с нелинейной нагрузкой(2.24)(2.24)
明 Uo2 生了%〃“物
明 Uo2 生了%〃“物
Рис. 2.12. Передаточная характеристика инвертора с нелинейной нагрузкой
Рис. 2.12. Передаточная характеристика инвертора с нелинейной нагрузкой
(2.24)
(2.24)
передаточная характеристика Ubhx=/(Ubx), по которой легко рассчитать остальные статические характеристики схемы: амплитуду ЛОГИЧеСКОГО перепада (t/выхтах—^выхтш), потребляемую мощность, статическую помехоустойчивость.
Рассмотрим передаточную характеристик
ку инвертора (рис. 2.12). При этом будем 4〃~〃/
считать пороговые напряжения ключевого 丁2 и нагрузочного 方 транзисторов одинаковыми: U()i = U()2 = Uq, что характерно для схем в интегральном исполнении. Влияние 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 напряжение на выходе инвертора
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 Т? переходит в область стоковых характеристик с большой крутизной.
Закон изменения выходного напряжения для участка CD можно получить из условия равенства токов транзисторов 7\ и Т^
S(n ("не — "внх — “0)2 = S°2 [2Uвых (Uвх — t/0) — вых]・
Отсюда
°внх =°внх =ии.п + т%x -(加 + 1)。0 -m+ 1
°внх =
°внх =
(2.25)(2.25)一 MDh.ti + mUвх —(罐 + 1)Uр]2 — 5+1) (Uн.п — /)2m + 1
(2.25)
(2.25)
где m = SO2/Soi — отношение значений удельной крутизны транзисторов инвертора.
Обычно статический режим инвертора рассчитывают так, чтобы при заданных значениях
°вк1《Ubx И "вх2>*х(2.26)
получились ствам
выходные напряжения, удовлетворяющие неравен-
"вых1》"вых, Овнк2《〃ВЬ1К・(2.27)
Подставляя вторые неравенства (2.26), (2.27) в (2.25), получим выражение для расчета отношения значений удельной крутизны 3* 67
ключевого и нагрузочного транзисторов, при котором выполняется заданный статический режим:
—仇—О："
/2O%(U3x-仇)一(U%)2
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 ^/Oi, 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
%нх=(2.29)
где [/вых — напряжение без учета влияния подложки (2.24);
^n = V]/r "н・ц —" —Е/ЩТ^^ё — коэффициент влияния подложки; e=/2%%(7N0/(?30 --постоянная величина аля данно- го транзистора.
Влияние потенциала подложки на характеристики МДП-тран- зистора 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 t7n.n2>^n.ni + ^o (рис. 2.13). При
Рис. 2.13. Схема инвертора с пассивной нагрузкой и двумя источниками питанияРис. 2.13. Схема инвертора с пассивной нагрузкой и двумя источниками питанияРис. 2.14. Передаточная характеристика инвертора При Uh.h2>Uh・e + + ^01Рис. 2.14. Передаточная характеристика инвертора При Uh.h2>Uh・e + + ^01
Рис. 2.13. Схема инвертора с пассивной нагрузкой и двумя источниками питания
Рис. 2.13. Схема инвертора с пассивной нагрузкой и двумя источниками питания
Рис. 2.14. Передаточная характеристика инвертора При Uh.h2>Uh・e + + ^01
Рис. 2.14. Передаточная характеристика инвертора При Uh.h2>Uh・e + + ^01
этом нагрузочная характеристика перемещается в область малых напряжений Uc i и становится более крутой (кривые 2, 5 на рис. 2.11). Статическая характеристика нагрузочного транзистора в этом случае описывается уравнением
/с尸号[(^и.п2-"期-4)2 —亿・”2- ^.Ш-仇丹(2.30)
С повышением напряжения 〃н.п2 нелинейность этой характеристики уменьшается и быстродействие схемы в пределе стремится к быстродействию инвертора с линейной нагрузкой (резистором).
Передаточная характеристика инвертора имеет три участка (рнс. 2.14), причем на каждом участке нагрузочный транзистор открыт, так как Uu.h2>Uh.ii i + %. На участке АВ ключевой транзистор Т2 закрыт и выходное напряжение ^/Вых= 〃皿口 ь На участке ВС ключевой транзистор работает в пологой области, а на участке ℃一в крутой области стоковой характеристики. Приравнивая токи транзисторов 7】и Г2 для участка CD, получим
S()l [(Uh・h2 — ^вых — “0)2 — (UH・u2 — "н・н1 —。0)2]=
= So2 [2Ubhk (Uвх — ^o)вых] •(2.31)
Отсюда
[/— m Свх — 仇)+ 〃и.п2 — /) — /[加(Ubx — %) + (Uhe2 — U0)]2 —
т + 1
(7П + I) [(^И.и2 — %)2 — (UИ.п2 — % — UИ.П1)2] m•
В формулах (2.30), (2.31) при необходимости можно учесть влияние подложки путем уменьшения напряжения 〃口口2 на величину КМвых, эквивалентную повышению порогового нэпря^кения нэ- грузочного транзистора Гь Для упрощения расчетов можно подставить в (2.31) вместо 〃口.口2 значение Uu,n2~ (Kn^n.ni)/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:
(2.32)：(2.32)：加 > ("н・н2 一 и\—Uo)2 (Оц.п? 一 Uh.hI — Uq )2
(2.32)：
(2.32)：
/2U\必l^-但北у
Статический режим работы инвертора с активной нагрузкой. Такая схема инвертора широко распространена в КМДП-ИМС, где одновременно используются п- и р-канальные МДП-транзисто- ры. 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, 6. Как видно, затворы нагрузочного р-канального транзистора Т1 и ключевого n-канального транзистора Т? 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 ^/зи14-^ЗИ2 = ^и.п1 так что уменьшение напряжения “н одного из транзисторов приводит к увеличению напряжения Озп другого.
Рис. 2.15. Инвертор с активной нагрузкой:Рис. 2.15. Инвертор с активной нагрузкой:а — электрическая схема; б — стоковые характеристики в открытом (А) и закрытом (6) состояниях; в — передаточная характеристикаа — электрическая схема; б — стоковые характеристики в открытом (А) и закрытом (6) состояниях; в — передаточная характеристика
Рис. 2.15. Инвертор с активной нагрузкой:
Рис. 2.15. Инвертор с активной нагрузкой:
а — электрическая схема; б — стоковые характеристики в открытом (А) и закрытом (6) состояниях; в — передаточная характеристика
а — электрическая схема; б — стоковые характеристики в открытом (А) и закрытом (6) состояниях; в — передаточная характеристика
Рассмотрим передаточную характеристику инвертора (рис. 2.15, 8). Параметры транзисторов будем считать одинаковыми, а токи утечки——пренебрежимо малыми. Пусть напряжение питания связано с пороговыми напряжениями транзисторов неравенством (J Iu。1 I +"。2.(2.33)
Тогда при 0<Ubx<〃02 транзистор Т2 закрыт, транзистор Ti открыт и выходное напряжение Ubmx=Uh.h・ При увеличении Ubx от U02 до %口—[Ди происходят плавное запирание транзистора 7卜 отпирание транзистора Т2 и уменьшение напряжения 〃вых・ При Ubx= = Un.n—Uoi транзистор Ti окончательно запирается и 〃口川*=°・
В заключение отметим, что инвертор может работать и при ^и.п< I ^011 +^02, однако этот режим приводит к увеличению времени переключения, так как в течение части его оба транзистора Т1 и 厶 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 Оном характеризуется максимальным напряжением статической помехи, действующей на выходе или входах инвертора, но не нарушающей его нормального функционирования.
Помехоустойчивость определяют из соотношения
(2.34】(2.34】^пом=т1п( °孟”，
(2.34】
(2.34】
где U 力м ，U^m ——допустимые значения положительной и отрицательной статических помех.
Значения статических помех можно определить по передаточной характеристике рис. 2.15, в или по формулам
"，=002 —"厶(2.35)
(2.36)(2.36)U пом — ^ВХU Q«
(2.36)
(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 U(n = Uo2=Uo) по выражению
(2.37)(2.37)("o-TKUo"i) —，x,館 х—(а+тка”2),
(2.37)
(2.37)
где TKUo — температурный коэффициент пороговых напряжений (〜4 мВ/℃) ； A7i = 7max—Ткомн； АТ2=Ткомн—Tmln； 7'комн== +20° С.
Динамический режим работы инверторов. Анализ динамического режима работы рассмотренных схем инверторов проведен при следующих условиях:
входное напряжение изменяется скачкообразно от "хтш Д。〃вхтах；
нагрузка имеет чисто емкостный характер и равна С/=
Сн+Свнх Сн,『де С*вых — выходная емкость инвертора.
Схема включения источника входного напряжения и конденсатора нагрузки для оценки быстр одействи я инвертора с нелинейной
Рис. 2.16. Схема включения (а) и временные диаграммы работы инвертора (6) в динамическом режимеРис. 2.16. Схема включения (а) и временные диаграммы работы инвертора (6) в динамическом режиме
Рис. 2.16. Схема включения (а) и временные диаграммы работы инвертора (6) в динамическом режиме
Рис. 2.16. Схема включения (а) и временные диаграммы работы инвертора (6) в динамическом режиме
нагрузкой приведена на рис. 2.16, а, а соответствующие ей времен- H^ie диаграммы — на рис. 2.16, 6. Обычно быстродействие инвертора оценивают временами включения /вкл, выключения /ВЬ1КЛ и за-
держки распространения сигнала /зад, уровни отсчета которых указаны и а рис. 2.16, 6. Очевидно, быстродействие инвертора будет определяться временем перезаряда конденсатора С1Ь 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 Тг) и 3 — 4—1 при включении (соответствует отпиранию транзистора 丁2)・ В этом случае быстродействие инвертора можно оценить по площади, расположенной под нагрузочной статической характеристикой при выключении, и по площади между нагрузочной н стоковой характеристиками ключевого транзистора при включении. Действительно, как видно из рис. 2.17, эти площади пропорциональны средним значениям токов заряда и разряда конденсатора нагрузки: ic зар=^н, ic разр^=^с——加・ 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 /Вкл всегда меньше времени выключения /выкл. Поэтому ограничимся расчетом большего времени /Выкл-
Расчет времени выключения /Выкл легко провести при скачкообразном входном сигнале, составив дифференциальное уравнение заряда конденсатора нагрузки Сн током i(f) нагрузочного транзистора:
Сн d°c(/).=»(%). (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).
Сюда включены выражения для сложных схем инверторов с пас-Сюда включены выражения для сложных схем инверторов с пас-Далее приведены решения уравнения (2.38) для различных типов инверторов в виде выражений для времен выключения /Выкл-
Сюда включены выражения для сложных схем инверторов с пас-
Сюда включены выражения для сложных схем инверторов с пас-
сивной (рис. 2.18, Q, 6) и с
активной (рис. 2.19, а, 6) 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;
6 — 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)
18cH^01 (^"и.н — U о)18cH^01 (^"и.н — U о)(239)(239)T勿 Gd/o-ЦT勿 Gd/o-ЦСложные схемы инверторов с активной нагрузкой: а — элемент ИЛИ—НЕ; б — элемент И—НЕСложные схемы инверторов с активной нагрузкой: а — элемент ИЛИ—НЕ; б — элемент И—НЕ
18cH
^01 (^"и.н — U о)
18cH
^01 (^"и.н — U о)
(239)
(239)
T
勿 Gd/o-Ц
T
勿 Gd/o-Ц
Сложные схемы инверторов с активной нагрузкой: а — элемент ИЛИ—НЕ; б — элемент И—НЕ
Сложные схемы инверторов с активной нагрузкой: а — элемент ИЛИ—НЕ; б — элемент И—НЕ
Для инвертора с пассивной нагрузкой и двумя источниками пи- тания (см. рис. 2.13, 2.18, а, 6)
端-氏臂.9 J,软)
Sol (1 - К) (%.口2 - %)j2,0-1, IK ，('
К — ^и.п1/(^н.п2 一 仇).
2 ］^扌貝 инвертора с активной нагрузкой по схемам рис. 2.15, а, …中入)"(2。" 1)+安］,(2,41).
по схеме рис. 2.19, а
々нкл =-—万~In (20К — 1) + 支?—仁］(2 42)
5oi (^и.п —^o) L厂 0,5K 「( ‘々
где п ——число последовательных нагрузочных транзисторов; К= =(Uii.n—Uo)/Uи.п*
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
О а, (2.43) анхтт<4, (2.44)
где Uвых min — минимальное напряжение на выходе открытого ин
вертора.
При проектировании инверторов, работающих в цепочке, для выполнения условия (2.43) требуется правильный подбор напряже-
Рнс. 2.20. Цепочка инверторов с пассивной нагрузкойРнс. 2.20. Цепочка инверторов с пассивной нагрузкойния 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). -
Рнс. 2.20. Цепочка инверторов с пассивной нагрузкой
Рнс. 2.20. Цепочка инверторов с пассивной нагрузкой
Обеспечение заданного быстродей
ствия в цепочке инверторов достигает
ся путем равномерного распределения задержек между каскадами по формуле
&乐』=2%/"，
где /зад — 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 выходной емкости Свых：
Си = Свх + Свых= Сзн2 + Сзп2 + Сзс2KM + Смет + &口1 + ^сп2» (2.46) где Km=So2/S(h — коэффициент Миллера； Смет —емкость конденсатора, образованного проводником, соединяющим каскады, и подложкой.
(2.47)(2.47)Однако определение Са 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
(2.47)
(2.47)
&н== L。+ 1,5 и ① $
а в процессе поверочного расчета уточнить это допущение.
Расчет динамического режима работы инвертора проводят так, чтобы при заданном времени задержки сигнала /зад и емкости нагрузки Сн в любых режимах работы выполнялось неравенство
&л & 凉внк」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:
расчет толщины затворного диэлектрика Ед производят по формулам (2.4), (2.10), (2.11) и (2.37) из условия получения задан- ной статической помехоустойчивости;
удельная крутизна Soi нагрузочного транзистора, рассчитываемая по формулам (2.39)——(2.42), из условия получения задан- ного быстродействия однозначно определяет отношение ширины канала МДП-транзистора к его длине &К1Дк1；
расчет геометрии ключевого транзистора (отношения &кз//к2) производят по формулам (2.28), (2.32) из условия обеспечения заданных выходных напряжений инвертора в статическом режиме.»
§ 26 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 0°, 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 вьь полнения. Поэтому при расчете и выборе конструктивных параметров МДП-транзнсторов и других элементов схемы следует учитывать технологические ограничения на размеры МДП-структур, ко* торые 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:
совокупности типовых элементов ——МДП-транзисторов;
совокупности типовых логических элементов и блоков (вы* ходных 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.
о
Технологические ограничения на размеры МДП-структур
Таблица 2.1
Вид технологии
Чертежи топологии
Наименование элемента топологии, наименование и обозначение размера
р-МДП
л-мдп
кмдп
р-канальныи МДП-транзистор с алюминиевым 口 затОаромЕ
Исток ЗатЬор ^Сток、
п-канМьнь应 МДИ-тронзис- тор с кремниеОым затвором
КОЛЬЦО
Чертежи топологии
ПоликремниеОые
ПроМники металлизации
Контактнее площадки
Толщина затворного диэлектрика (SiO2)九口，мкм
Толщина толстого диэлектрика (SiO2) Лтд, мкм
Толщина металлизации (алюминия) Ам, мкм
Толщина кремниевого затвора "п.к.з, мкм
Толщина межслойной изоляции (ФСС)九м.и, мкм
Толщина пассивирующего слоя (ФСС) Zinc, мкм
Толщина стоков, истоков, диффузионных проводников hj, мкм
Толщина p-областей для формирования п-канальных 邛анзисторов КМДП-ИМС Л：, мкм
Минимальная длина алюминиевого (кремниевого) затвора /з, МКМ
Перекрытие областей стока (истока) алюминиевым (кремниевым) затвором i, мкм
Минимальное расстояние от края контактного окна до края стока (истока), диффузионного проводника, кремниевого затвора а, мкм
Минимальный размер контактного окна к стоку (истоку), диффузионному проводнику и кремниевому затвору сХс, мкм
Минимальное расстояние от затвора до края контактного окна к стоку (истоку) d, мкм
Перекрытие области канала затвором на его конце е, мкм
0,07—0,10
1,0
1,2
1,0
1,5
12'
2,0
4,0
6X6
10,0
3,0
Минимальное расстояние между соседними стоковыми 1°,。 (истоковыми) областями и диффузионными проводниками 力мкм
Наименование элемента топологии, наименование и обозначение размера
р-МДП
0,07—0,11,0
1,0
5
0,8
2,0
5X5
4,0
2,0
5,0
J'0* 石 Q'0/ 卄^ ^и 11 11J 11 1—А f I ь zr \ 一
^ об6
5
1,0
2,0
5X5
4,0
До охран-ного кольца
(А1)
2,0 (Si)
5,0
〃ро(Эо“批е凡〃е табл. 2.■/
Вид технологии
л-МДПКМДП
Минимальная ширина диффузионного проводника и охранного кольца & мкм
Минимальное расстояние между кремниевыми затворами Л, 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 f, мкм
Расстояние от края кристалла до контактной площадки U, мкм
Минимальный размер контактной площадки для ручной (числитель) и автоматизированной (знаменатель) термокомпрессионной сварки "и, мкм
Минимальное расстояние между контактными площадками для ручной (числитель) и автоматизированной (знаменатель) термокомпрессионной сварки 吗 мкм
Расстояние между контактными площадками и други
ми элементами схемы %, мкм
8,0
5,0
5,0
一
4,0
4,0
8,0
5,0
5,0
8,0
5,0
5,0
3,0 '
2,0
2,0
>50
50X50
150X150
70
50
20
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 н 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 начинать 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.
Рис. 2.21. Чертеж топологии МДП транзистора с П-образным каналомРис. 2.21. Чертеж топологии МДП транзистора с П-образным каналом/к・техн = "з — 2/,/к・техн = "з — 2/,Конструирование МДП-транзисторов, работающих в активном режиме. Для транзисторов, работающих в активном режиме (к ним относятся ключевые транзисторы всех инверторов и нагрузочный транзистор инвертора, изображенный на рис. 2.15), с целью получения малых паразитных межэлектродных емкостей необходимо выбирать по табл. 2.1 минимальную длину канала, обуслов* ленную технологическими ограничениями:
Рис. 2.21. Чертеж топологии МДП транзистора с П-образным каналом
Рис. 2.21. Чертеж топологии МДП транзистора с П-образным каналом
/к・техн = "з — 2/,
/к・техн = "з — 2/,
и подгонять отношение ширины и длины канала 6к/^к.техн к требуемому значению удельной крутизны S()2, рассчитанному по формулам (2.28), (2.32). Остальные конструктивные параметры транзистора (размеры областей стока, истока, 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 &к//к.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, 6; 2.23, а, б.
。丿。丿Рис. 2.22. Чертеж топологии (а) н электрическая схема (б) последовательного включения МДП- транзисторовРис. 2.22. Чертеж топологии (а) н электрическая схема (б) последовательного включения МДП- транзисторов6)6)Рис. 2.23. Чертеж топологии (а) и электрическая схема (б) параллельного вклю- чения МДП-транзисторовРис. 2.23. Чертеж топологии (а) и электрическая схема (б) параллельного вклю- чения МДП-транзисторов
。丿
。丿
Рис. 2.22. Чертеж топологии (а) н электрическая схема (б) последовательного включения МДП- транзисторов
Рис. 2.22. Чертеж топологии (а) н электрическая схема (б) последовательного включения МДП- транзисторов
6)
6)
Рис. 2.23. Чертеж топологии (а) и электрическая схема (б) параллельного вклю- чения МДП-транзисторов
Рис. 2.23. Чертеж топологии (а) и электрическая схема (б) параллельного вклю- чения 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:
(2.50)(2.50)2@ + с для прямоугольной формы стока (истока),
(2.50)
(2.50)
g для ступенчатойформы стока (истока).
Длину канала подгоняют в целях получения отношения 6к.техн//к, 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, 6.
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 〃2・ Как известно, статический заряд, накапливаемый на выводах корпуса ИМС или инструменте мон-
Рис. 2.24. Конструкция (а) и электрическая схема ⑹ ” нагрузочного р-канальногоМДП-транзистораРис. 2.24. Конструкция (а) и электрическая схема ⑹ ” нагрузочного р-канальногоМДП-транзистораРис. 2.25. Диодная защитная схемаРис. 2.25. Диодная защитная схема
Рис. 2.24. Конструкция (а) и электрическая схема ⑹ ” нагрузочного р-канального
МДП-транзистора
Рис. 2.24. Конструкция (а) и электрическая схема ⑹ ” нагрузочного р-канального
МДП-транзистора
Рис. 2.25. Диодная защитная схема
Рис. 2.25. Диодная защитная схема
тажника, может иметь положительный и отрицательный знаки* Положительный заряд «стекает» через диод Д1, а отрицательный — через диод 〃2・ Такая схема приводит к уменьшению входного сопротивления и появлению входного тока утечки в пределах °,5— —1 мкА. Однако динамические параметры схемы при правильном
проектировании охранных диодов практически не ухудшаются.
Описанная защитная схема не допускает подачу на вход на*
пряжения Ubx>Uh.ii, что может привести к протеканию через входную цепь больших токов и разрушению диодов. Поэтому при включении аппаратуры на КМДП-ИМС с защищенными входными неля，
только охранный диод Д2*Основными требованиями дов являются обеспечение ()2厶.口)，так как в рабочем обратное напряжение, равное емкостей. Первое требование ластыо этих диодов служиттолько охранный диод Д2*Основными требованиями дов являются обеспечение ()2厶.口)，так как в рабочем обратное напряжение, равное емкостей. Первое требование ластыо этих диодов служитми напряжение питания следует подавать раньше входного сигна* ла, а при выключении аппаратуры — снимать позже. Находят при” менение и однодиодные защитные схемы, в которых используется
только охранный диод Д2*
Основными требованиями дов являются обеспечение ()2厶.口)，так как в рабочем обратное напряжение, равное емкостей. Первое требование ластыо этих диодов служит
только охранный диод Д2*
Основными требованиями дов являются обеспечение ()2厶.口)，так как в рабочем обратное напряжение, равное емкостей. Первое требование ластыо этих диодов служит
при конструировании охранных дио< достаточного напряжения пробоя состоянии схемы на диоды подается %» и получение малых паразитные обеспечивается тем, что одной обнизколегированная 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 〃2 н Д1 приведен на рис. 2.26. Особенностью топологии является то, что электрический контакт к n-области диода 〃i 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 па・ разитного p-канала, между диффузионными проводниками питания р+-типа, если поперечный проводник металлизации находится под высоким отрицательным потенциалом.
Рис. 2.26. Чертеж топологии охранных диодовРис. 2.26. Чертеж топологии охранных диодовРис. 2.27. Чертеж топологии (а) и электрическая схема (6) паразитного р-канального МДП- транзистораРис. 2.27. Чертеж топологии (а) и электрическая схема (6) паразитного р-канального МДП- транзистора
Рис. 2.26. Чертеж топологии охранных диодов
Рис. 2.26. Чертеж топологии охранных диодов
Рис. 2.27. Чертеж топологии (а) и электрическая схема (6) паразитного р-канального МДП- транзистора
Рис. 2.27. Чертеж топологии (а) и электрическая схема (6) паразитного р-канального МДП- транзистора
диэлектрика Ат>д либодиэлектрика Ат>д либо"即嗯廳面m阳3Щинмар-каналканал"即嗯廳面m阳3Щинмар-каналканалJ/J/Рис. 2.28. Образование паразитных каналов в инверторе с активной нагрузкой: / — подлйжка; 2, 3 — исток и ст。1K р-канального МДП-транзи* стора； 4 — металлический проводник; 5 — п + -охранное коль- но； 6 — р-карман; 7 — р + -охран- ное кольцо; 8, 9 — сток и исток ^•канального МДП-транзнстораРис. 2.28. Образование паразитных каналов в инверторе с активной нагрузкой: / — подлйжка; 2, 3 — исток и ст。1K р-канального МДП-транзи* стора； 4 — металлический проводник; 5 — п + -охранное коль- но； 6 — р-карман; 7 — р + -охран- ное кольцо; 8, 9 — сток и исток ^•канального МДП-транзнстора
диэлектрика Ат>д либо
диэлектрика Ат>д либо
"即嗯廳面m阳3Щинма
р-каналканал
"即嗯廳面m阳3Щинма
р-каналканал
J/
J/
Рис. 2.28. Образование паразитных каналов в инверторе с активной нагрузкой: / — подлйжка; 2, 3 — исток и ст。1K р-канального МДП-транзи* стора； 4 — металлический проводник; 5 — п + -охранное коль- но； 6 — р-карман; 7 — р + -охран- ное кольцо; 8, 9 — сток и исток ^•канального МДП-транзнстора
Рис. 2.28. Образование паразитных каналов в инверторе с активной нагрузкой: / — подлйжка; 2, 3 — исток и ст。1K р-канального МДП-транзи* стора； 4 — металлический проводник; 5 — п + -охранное коль- но； 6 — р-карман; 7 — р + -охран- ное кольцо; 8, 9 — сток и исток ^•канального МДП-транзнстора
Основным путем борьбы с паразитными каналами в обычные р-МДП и zz-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 5 и при отрицательном потенциале относительно подложки 1 на металлическом проводнике 4, соединяющем стоки 3 и 8 КМДП-транзисторов. Паразитный л- канал образуется между областями / и 8 при положительном потенциале на проводнике 4 относительно р-кармана. Эти каналы способствуют протеканию токов
утзки между транзисторами за счет инверсии элек邛опроводности полупроводникового материала на границе кремний ——окисел
Основным методом устранения паразитных каналов в КМДП- структурах является применение охрэнных колец. Их формируют
локальным легированием в процессе формирования стоков и истоков р- и «-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 (и^п) • 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-ПМС, 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 последовательности:
1) размещают контактные площадки (КП) по периметру кристалла (нумерация контактных площадок нарастает против часовой стрелки от КПь как показано на рис. 2.29), способы распознавания КП1 хФигуры от остальных указаны в гл. 1;
собмещения 2) оставляют место на периферии -кристалла для размещения фигур со
口 口由口□口 口由口□вмещения и тестовых элементов (МДП-транзисторов);
口 口由口□
口 口由口□
выделяют контактные площадки для подведения цепей питания ([/и.п Рис. 2.29. Пример размещения и «общая»), которые являются неиз- контактных площадок и фигур менными для данной серии ИМС;
совмещения на кристалле4) если ИМС содержит ряд одно
типных схем, 'Кристалл делят на равные части (по площади) и проектируют топологию только одной части с последующим размножением;
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);
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 Краз, емкость нагрузки Сн, время задержки распространения сигнала /Зад, напряжение источника питания 立玄.口, выходное напряжение логиче- ского нуля U?hx выходное напряжение логической единицы и%Ых‘ статическую помехоустойчивость Uwm, входную емкость Свх, пороговое напряжение паразитных транзисторов Оонар, технологию изготовления ИМС, материал пластины и затворов, концентрацию примеси в пластине N* плотность поверхностных состояний А/Пов, подвижность носителей заряда в канале ц, технологические ограничения на размеры МДП-структур.
Порядок расчета параметров транзисторов р- " п-канальных МДП-ИМС (данные ИМС используют инверторы рис. 2.10, 2.13, 2.18):
изучают принцип работы ИМС и связи ее электрических и конструктивных параметров по § 2.5;
рассчитывают требуемое пороговое напряжение МДП-тран- зисторов |U°| для обеспечения заданной статической помехоустойчивости по формуле (2.37) при условии ^вх = ^вых и U}^ — U\b^
определяют удельную емкость затвора относительно канала Сзо Для р- и ti-канальных транзисторов по выражениям (2.10), (2.П)；
находят толщину затворного диэлектрика Ад по формуле (2.4);
определяют по схеме ИМС количество последовательно включенных инверторов п и время выключения каждого инвертора ^Выкл по выражению (2.45);
рассчитывают конструктивные параметры выходного инвертора:
технологическую ширину канала 6к1техн нагрузочного транзистора по табл. 2.1 и формуле (2.50);
удельную крутизну Sg нагрузочных р- и /г-канальных транзисторов по формулам (2.39), (2.40) при заданной емкости нагрузки Сп; '
отношение ширины канала нагрузочного транзистора к его Длине ЬК1технДк1 'По формуле (2.7) при заданных значениях подвижности носителей заряда в канале 卩@ или 卩広
технологическую длину канала ZK 2 техн ключевого МДП-тран- зистора по табл. 2.1 и формуле (2.49);
отношение значений удельной крутизны ключевого и нагрузочного транзисторов m по формуле (2.28) при заданных 厶.口 и
отношение ширины канала ключевого транзистора к его длине Ьк2//к2техн по величине т;
) 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 т: для р-канальных——по формуле (2.28) и для /z-канальных — по формуле (2.32) при заданных Un.ui, ^п.п2, °вх = °：ых и затем конструктивные параметры согласно п. е) и ж);
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):
изучают принцип работы инвертора с активной нагрузкой и связи его электрических и конструктивных параметров по § 2.5;
рассчитывают требуемое пороговое напряжение МДП-тран- зисторов |Uo| для обеспечения заданной статической помехоустойчивости по формуле (2.37) при условии U?x =U% и。:х=О；ых；
определяют удельную емкость затвора относительно канала С3о для р- и n-канальных транзисторов по формулам (2.10), (2.11) При условии(Рми=о；
находят толщину затворного диэлектрика Ад по формуле (2.4) для р- и /г-канальных структур и выбирают большее значение;
проверяют выполнение условия (2.33) для выбранного значения толщины затворного диэлектрика Ад;
рассчитывают технологическую длину канала нагрузочного транзистора (Zkitgxh) и ключевого транзистора (/к2техн) по табл. 2.1 и выражению (2.49);
рассчитывают удельную крутизну SOi нагрузочного транзистора по формулам (2.41), (2.42) при заданных значениях Сн и 乙扭кл = 2 厶ад в зависимости от схемы инвертора;
рассчитывают удельную крутизну S02 ключевого транзистора по формулам (2.42) или (2.41) при заданных значениях Сн и ^выкл = 2 /зад в зависимости от схемы инвертора;
находят отношение ширины канала нагрузочного и ключевого транзисторов к его длине 匕к1/"к1техн и Ьк2/"к2техн по формуле (2.7) при заданных значениях подвижности носителей заряда цр и 卩也；
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
лення Краз и времени задержки сигнала ^зад с целью контроля выполнения условий:
^Опар ^Опар.доп»(2.51)
Краз》Краз.догт，(2.52)
•зад -^ ^зад.доп-⑵53)
Правые части неравенств (2.51)——(2.53) задаются в ТЗ, а левые части при проверке необходимо определить расчетным путем.
Проверка наличия паразитных каналов включает:
анализ эскиза топологии кристалла для выявления областей возможного образования паразитных каналов;
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 tVonap. Значение Ат.д определяют из выражений (2.10) и (2.11) соответственно для паразитных р- и 〃-каналов.
Для определения статического коэффициента разветвления требуется:
рассчитать удельную емкость проводника металлизации над толстым диэлектриком Ст.до по формуле (2.4), а также удельную емкость перехода сток (исток) — подложка &о по выражению (2.20);
для проверки неравенства (2.52) определить статический коэффициент разветвления по формуле
Краз = (Сн — Сшжт)/Свх/,(2.54)
где Смонт — емкость монтажа (~5—10 пФ); Свхj — входная емкость ИМС по /-му входу, определяемая как
Свх尸 Е (^зп I + Сзи/) + СзсКм + (5КП -J- 5пр) Ст・до + С()хр,(2.55)
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 Сц.констр промежуточного и входного инверторов по формуле (2.46) и по эскизу топологии кристалла, а также проверку неравенства
с
Н.КОНСтр
W Сц，
(2.56)
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
/за= = 50 нс； £4.口=9 В±10%; и?нх《°，3 В; УВ11Х>7,5 В;。口。“=0,9 В; техне логия КМДП; технология монтажа кристалла в корпусе — ручная термокомпрессия； материал пластины — КЭФ4.5 <100>; материал затвора — поликри- сталлический кремний;^Л^о =1015 см-3; ^ ^ =2- 101в см~3; Л^цов= (1-?2)Х Х10и см~2; |1п = 450 см2/(В-с);卩0=250 см2/(В-с); UonapNlO В; герметич< ность корпуса 5-10~5 л-мкм/с； Г = —45+ +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:
по выражению (2.37) |4| = 1,46В;
по формуле (2.10) С3о=4,65-10-8 Ф/см2, а по формуле (2.11) С^^
=2,4-10"8 Ф/см2;
3) по выражению (2.4) /гд = тах
=max
/0,075 |о」5
= 0,15 мкм;
Uo]=-2,31 В, 002=1,46 В, |U(h| + Uo2=3,77VU口.口 = 9 В：
по табл. 2.1 и формуле (2.49) /щтехн — /к2техн == /з~~*2Е == 3 МКМ；
по выражению (2.42) Soi = 4,4-10-4 А/В2;
по выражению (2.41) S02— 1,93-10~4 А/В2;
ПО ВЫражеНИЮ (2.7) ЬкЖтехн = 73 И Ьк2〃к2техн= 18.
Отсюда %1 = 219 мкм, а А《2=54 мкм.
Остальные размеры областей МДП-транзисторов выбирают по табл. 2.1.
j КПЗ彥 UUUUG.U 刍号1/弓昌2芝F^l 工七0 ^SE^aEXS nJ nnHEad工 §5^> nnd IflrDUJMdurmou fl 2 QE3D0 r~ +Q qESDo「 DU'HDESndyKnzQlfQuoi
wxls§ UWMR口WX W44W5S& Ksuolob"-agd
При разработке эскиза топологии кристалл разбивают на четыре равные части и производят размещение транзисторов только первого инвертора (7\—7\) с учетом технологических ограничений. Плотность размещения элементов обеспечивается последовательным соединением р-канальных транзисторов (Т】,Г2) с объединенными стоковой и истоковой областями и параллельным соединением п-капальных транзисторов (Тз, М) 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 л-каналов вводят охранное кольцо р+-ти- па, охватывающее л-канальные транзисторы инверторов, а для устранения остальных паразитных p-каналов толщину окисла кремния /ц.д в соответствии с (2.10) делают равной 1,7 мкм.
Определенное по (2.54) значение статического коэффициента разветвления ^paз = 57>^paз.дoп = 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 бесщелочного 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
ggссс Т 4 4 警二266 e 6。о зЪ12О 3 3>05 52оа1 1F 5л11尸 оч5 5М3 2尸尸1009 •8 О1 о'кэ5О о* 1 6 6мTI1 ”2 115ссс Т 4 4 警二266 e 6。о зЪ12О 3 3>05 52оа1 1F 5л11尸 оч5 5М3 2尸尸1009 •8 О1 о'кэ5О о* 1 6 6мTI1 ”2 115Т а 6 л н и а'2 Хнмниескнй состав подложек ГИСТ а 6 л н и а'2 Хнмниескнй состав подложек ГИССоставСостав5 4 3 2 1№ типоразмера234 694。8。6Ширина3 4 6 9 ГЗО 8 J 6。Длина。9 87 6№ типоразмераИМ* Ь->« •—* fc—• Ю 002 6 。Ширина,1 ii22 26 6 О 4Длина岂二№ типоразмера3 1一8 2 6 2 55Ширина"54 6Длина1 соао-^от№ типоразмера1 2—21。5 4 8Ширина1 4 4 611 5 8 0 0Длина5 4 3 2 1№ типоразмера234 694。8。6Ширина3 4 6 9 ГЗО 8 J 6。Длина。9 87 6№ типоразмераИМ* Ь->« •—* fc—• Ю 002 6 。Ширина,1 ii22 26 6 О 4Длина岂二№ типоразмера3 1一8 2 6 2 55Ширина"54 6Длина1 соао-^от№ типоразмера1 2—21。5 4 8Ширина1 4 4 611 5 8 0 0ДлинаТаблица 3.3Типоразмеры плат ГИС(размеры, мм)Таблица 3.3Типоразмеры плат ГИС(размеры, мм)трем- дает ряд тнпоразмеров плат》Приведенных в табл，33 Платы 3— 10 используют в CTNHnapTHblx корпусах》остальное 丨в бес— KopnycHgx 2С и микросборках，ТОЛЕННа подложек составляет 戶 35—尸6 мм・ размера подложек имеют только минусов。допускн в пределах (0」—0.3 мм)・трем- дает ряд тнпоразмеров плат》Приведенных в табл，33 Платы 3— 10 используют в CTNHnapTHblx корпусах》остальное 丨в бес— KopnycHgx 2С и микросборках，ТОЛЕННа подложек составляет 戶 35—尸6 мм・ размера подложек имеют только минусов。допускн в пределах (0」—0.3 мм)・⑺ 3 2 Материалы элементов тонкопленочных ГНС Материалы резисторов* параметртонкоппеноннах резисторов определяются свойствами применяемых резистивных материалов- толщиной резистивной пленки и условиями ее еормнровання* Длн создания fc необхопнмн резнстнвнЕе пленк.н с удельным §' верхностньш сопротивлениемот десятков по десятков тысяч ом на квапраНем меньше ТОЛЕННа пленок》тем Bblme PS》но опновре— менно повшлается TKR а также ухудшается временная н темпе， ратурная стабильностьленок・В качестве резнстнвннх материалов используют инстне метал—jibi и сплава с внсокнм электрниеским сопротнвленнем》а такжеспеинальнЕе резнстнвнне матерналн丨керметы” которое состоятиз иастиц металла и диэлектрика (напримерз Сг и sio)・ широк。распространена пленки хрома н тантала (Та6л・ 3・4)・ сплавы” из91⑺ 3 2 Материалы элементов тонкопленочных ГНС Материалы резисторов* параметртонкоппеноннах резисторов определяются свойствами применяемых резистивных материалов- толщиной резистивной пленки и условиями ее еормнровання* Длн создания fc необхопнмн резнстнвнЕе пленк.н с удельным §' верхностньш сопротивлениемот десятков по десятков тысяч ом на квапраНем меньше ТОЛЕННа пленок》тем Bblme PS》но опновре— менно повшлается TKR а также ухудшается временная н темпе， ратурная стабильностьленок・В качестве резнстнвннх материалов используют инстне метал—jibi и сплава с внсокнм электрниеским сопротнвленнем》а такжеспеинальнЕе резнстнвнне матерналн丨керметы” которое состоятиз иастиц металла и диэлектрика (напримерз Сг и sio)・ широк。распространена пленки хрома н тантала (Та6л・ 3・4)・ сплавы” из91
g
g
ссс Т 4 4 警二
266 e 6。
о зЪ1
2
О 3 3
>
05 5
2
о
а
1 1F 5
л
11尸 о
ч
5 5
М
3 2
尸尸1
0
09 •
8 О
1 о'кэ
5
О о* 1 6 6
м
TI
1 ”2 1
1
5
ссс Т 4 4 警二
266 e 6。
о зЪ1
2
О 3 3
>
05 5
2
о
а
1 1F 5
л
11尸 о
ч
5 5
М
3 2
尸尸1
0
09 •
8 О
1 о'кэ
5
О о* 1 6 6
м
TI
1 ”2 1
1
5
Т а 6 л н и а'2 Хнмниескнй состав подложек ГИС
Т а 6 л н и а'2 Хнмниескнй состав подложек ГИС
Состав
Состав
5 4 3 2 1
№ типоразмера
234 69
4。8。6
Ширина
3 4 6 9 ГЗ
О 8 J 6。
Длина
。9 87 6
№ типоразмера
ИМ* Ь->« •—* fc—• Ю 002 6 。
Ширина
,1 ii22 26 6 О 4
Длина
岂二
№ типоразмера
3 1
一8 2 6 2 5
5
Ширина
"54 6
Длина
1 соао-^от
№ типоразмера
1 2—2
1。5 4 8
Ширина
1 4 4 61
1 5 8 0 0
Длина
5 4 3 2 1
№ типоразмера
234 69
4。8。6
Ширина
3 4 6 9 ГЗ
О 8 J 6。
Длина
。9 87 6
№ типоразмера
ИМ* Ь->« •—* fc—• Ю 002 6 。
Ширина
,1 ii22 26 6 О 4
Длина
岂二
№ типоразмера
3 1
一8 2 6 2 5
5
Ширина
"54 6
Длина
1 соао-^от
№ типоразмера
1 2—2
1。5 4 8
Ширина
1 4 4 61
1 5 8 0 0
Длина
Таблица 3.3
Типоразмеры плат ГИС
(размеры, мм)
Таблица 3.3
Типоразмеры плат ГИС
(размеры, мм)
трем- дает ряд тнпоразмеров плат》Приведенных в табл，33 Платы 3— 10 используют в CTNHnapTHblx корпусах》остальное 丨в бес— KopnycHgx 2С и микросборках，ТОЛЕННа подложек составляет 戶 35—尸6 мм・ размера подложек имеют только минусов。допускн в пределах (0」—0.3 мм)・
трем- дает ряд тнпоразмеров плат》Приведенных в табл，33 Платы 3— 10 используют в CTNHnapTHblx корпусах》остальное 丨в бес— KopnycHgx 2С и микросборках，ТОЛЕННа подложек составляет 戶 35—尸6 мм・ размера подложек имеют только минусов。допускн в пределах (0」—0.3 мм)・
⑺ 3 2 Материалы элементов тонкопленочных ГНС Материалы резисторов* параметртонкоппеноннах резисторов определяются свойствами применяемых резистивных материалов- толщиной резистивной пленки и условиями ее еормнровання* Длн создания fc необхопнмн резнстнвнЕе пленк.н с удельным §' верхностньш сопротивлениемот десятков по десятков тысяч ом на квапраНем меньше ТОЛЕННа пленок》тем Bblme PS》но опновре— менно повшлается TKR а также ухудшается временная н темпе， ратурная стабильностьленок・
В качестве резнстнвннх материалов используют инстне метал—jibi и сплава с внсокнм электрниеским сопротнвленнем》а такжеспеинальнЕе резнстнвнне матерналн丨керметы” которое состоятиз иастиц металла и диэлектрика (напримерз Сг и sio)・ широк。распространена пленки хрома н тантала (Та6л・ 3・4)・ сплавы” из
91
⑺ 3 2 Материалы элементов тонкопленочных ГНС Материалы резисторов* параметртонкоппеноннах резисторов определяются свойствами применяемых резистивных материалов- толщиной резистивной пленки и условиями ее еормнровання* Длн создания fc необхопнмн резнстнвнЕе пленк.н с удельным §' верхностньш сопротивлениемот десятков по десятков тысяч ом на квапраНем меньше ТОЛЕННа пленок》тем Bblme PS》но опновре— менно повшлается TKR а также ухудшается временная н темпе， ратурная стабильностьленок・
В качестве резнстнвннх материалов используют инстне метал—jibi и сплава с внсокнм электрниеским сопротнвленнем》а такжеспеинальнЕе резнстнвнне матерналн丨керметы” которое состоятиз иастиц металла и диэлектрика (напримерз Сг и sio)・ широк。распространена пленки хрома н тантала (Та6л・ 3・4)・ сплавы” из
91
Электрофизические параметры материалов подложек ГИС
Параметр
Материал
стекло
снталл СТ50-1
плавленый кварц
керамика
С41-1
С48-3
22ХС (96%A1Q)
полнкор
глазурованная
99,5% ВеО
Класс чистоты обработки поверхности
14
14
13—14
14
12
12—14
14
Высота
микроие- ровностей
до 0,45 мкм
Температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР при Т—
(41 ±2) • IL
(48±2)・10-7
(50±2)・10-7
55•IO-'
(60±5)・10-7
(70—75)Х К10-7
(73—78) X ХЮ-7
70-10"7
=20+300。С
Коэффициент теплопроводности, Вт/ (м • ℃)
1
1,5
1,5
7—15
10
30—45
1,2-1,7
210
Диэлектрическая проницаемость при f= = 106 гц н г==20℃
7,5
3,2—8
5—8,5
3,8
10,3
10,5
13—16
6,4—9,5
Та нгенс угла диэлектрических потерь при /=
20-1О-4
15-10-*
20-1О-4
—
6-ю-4
10-10-4
18-Ю"4
16-Ю-1
= 10в Гц и 7=20° С
Объемное сопротивле-
W
10"
1()15
ние при 7=25° С, Ом-см
1014
Электрическая прочность, кВ/мм
40
40
—
—
50
50
20
9 29 2
9 2
9 2
Основные параметры материалов тонкопленочных резисторов
Материал1
Параметры
для напыления резистивной пленки
контактных площадок
удельное поверхностное сопротивление резистивной пленки р$, Ом/口
диапазон номинальных значений сопротивлений, Ом
допустимая удельная мощность рассеяния Poj Вт/см2
температурный коэффициент сопротивления TkR
при Г—60н-125℃
Нихром,проволока
Х20Н80 (ГОСТ 12766—67)
Медь
300
50—30 000
2
1-Ю-4
Ннхром, проволока (ГОСТ 8803—58)
Золото с подслоем хрома
10
1 — 10 000
—2,25-Ю'-4
50
5—50 000
Сплав МЛТ-ЗМ (6КО.028.0О5 ТУ)
Медь с подслоем ванадия (луженая)
Медь с подслоем нихрома (защищенная никелем)
500 '
50—50 000
2-10-4
Хром (ГОСТ 5905—67)
Медь (лунсеная)
500
50—30 000'
1
Кермет К-50С '(ЕТО.021.013 ТУ)
Золото с подслоем хрома (нихрома)
3000.
5000
10 000
1000—10 000
500—200 000-
10 000'—10 000 000
2
3-I0"4
—5-1(Г4
— 一 一 一 Продолжение табл. 3.4
Материал
Параметры
для напыления резистивной пленки
контактных площадок
удельное поверхностное сопротивление резистивной пленки р$,
Ом/口
диапазон номинальных значений сопротивлений) Ом
допустимая удельная мощность рассеяния Ро，Вт/сма
температурный коэффициент со!пх)тнвлення TKR мри 丁^Н125ОС
Тантал ТВЧ; лента толщиной 0,3—3 мм (РЭТУ 1244—67)
Алюминий с подслоем ванадия
20—100
100—10 000
3
—2-10~4
Медь с подслоем пи- хрома
100
50—100 000
Тантал
10
10—15 000
Сплав РС-3001 (ЕТО.0'21.019 ТУ)
Сплав РС-3710'
(ЕТО.021.034 ТУ)
Золото с подслоем хрома (нихрома)
1000
2000 '
100—50 000
,200—100 000
2
—0,2-Ю-4
3000
1000—200 000
—з-ю-4
S
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 TKR 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-3 710, РС-5604К, МЛТ-ЗМ, РС-5406Н). При сравнительно малом TKR и высокой стабильности воспроизведения удельных поверхностных сопротивлений диапазон номиналов сплавов PC достаточно широк: 50 Ом/口一 50 кОм/口. Наиболее часто используют сплавы PC-3001, РС-3710 (37,9% Сг, 9,4% №, 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 нметь хорошую адгезию к под- ложке 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-
g co
E Ef S
У 9
В I
x g6U
oavog эн
g x S •
w髓
со
?II駝 J J 士
:誌^
0
о
Z
g
寸 сч
9
о
1 9. со сч
г
9
弍 7
Oj
0
7 00
<0
00 co
a s
0
g
о о
g
о
0
0
о S О)
g
ю
о
о о
g| S 0 0 д д
0 g
0 ■ 0 i
Г/ио
МОГВ09О HXH3MU 9iiH3ifaHJ.odiiO3 эон -xooHXdaaou эончеэ1гХ
СЧ
計
&l
кН 襲
Н Z
aairog ан』」w
•/ в丄oj.jeh ueho^ed _
齧
g無~
^7X -<
m g I
1■居昱
g gCQ
К £ § 纟纥
□/ИО 也
MOifEogo ИЯНЭ1ГИ эинэ1гаихо(1поэ зон丄v -онхйэяои эонякачгХ
•8-Dh aH%®vogodu
701 厶о 90I& 3Q0
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 площадоктонкопленочных ГИС
g
吩
о
со
g о
2
о
сч о
I G d
§s i о
0н 2巴 v О и к
7。n
MCHdOJEW
96
CXHdJ.XS弓GH4
WS-5K-2-KS s§
(BHHEgodHHOHB вони gHWHXOdl 工WG) Е『 ，BIHeJ Лок^оаёс
4
i
Материалы подслоя, слоя и покрытия
Толщина слоев, мкм
Удельное поверхностное сопротивление Р$, Ом/口
Рекомендуемый способ контактирования внешних выводов
Подслой — нихром
Х20Н80 (ГОСТ 2238—58)
Слой — золото 3』999,9 (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 импульс- ным 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 '
Сваркасдвоенным
электродом
Подслой — нихром Х20Н80 (ГОСТ 2238—58)
Слой ——алюминийА99
(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
4—449
ПараметрыМатериалы ди электрикаудельная емкость Со, пФ/мм3тангенс угла диэлектрических потерь tg 6 при / = 1 кГцудельное объемноесопротивле- нне Ру, Ом-смэлектрическая проч- н℃тьЕ“р, В/СМтемпературный коэффициент ТКС прн Г=— -60—85。。1/℃Моноокись кремния6КО.028.004 ТУХалькогенидное стеклоИКС-24НегативныйфоторезистФН-108 ХАО.028.077 ТУФоторезист ФН-11ТУ 6-14-631—71Лак полиимидный электроизоляционныйОкись кремния S1O217501253—8Э8J—1001000,030,010,011 ・1()121・10121-10123-10122・10121-10133・10б 4・105МО5 6-105 5-105 6・1055J0-45.1Э-45-10—4ПараметрыМатериалы ди электрикаудельная емкость Со, пФ/мм3тангенс угла диэлектрических потерь tg 6 при / = 1 кГцудельное объемноесопротивле- нне Ру, Ом-смэлектрическая проч- н℃тьЕ“р, В/СМтемпературный коэффициент ТКС прн Г=— -60—85。。1/℃Моноокись кремния6КО.028.004 ТУХалькогенидное стеклоИКС-24НегативныйфоторезистФН-108 ХАО.028.077 ТУФоторезист ФН-11ТУ 6-14-631—71Лак полиимидный электроизоляционныйОкись кремния S1O217501253—8Э8J—1001000,030,010,011 ・1()121・10121-10123-10122・10121-10133・10б 4・105МО5 6-105 5-105 6・1055J0-45.1Э-45-10—4Таблица 3.7Электрофизические параметры материалов, применяемых для защиты элементов тонкопленочных ГИСТаблица 3.7Электрофизические параметры материалов, применяемых для защиты элементов тонкопленочных ГИСРис. 3.1. Технологический процесс производства тонкопленочной ГИС комбинированным масочным и фотолитографическим методами:Рис. 3.1. Технологический процесс производства тонкопленочной ГИС комбинированным масочным и фотолитографическим методами:а — напыление резисторов через маску; 6 — напыление проводящей пленки;团一фотолитография проводящего слоя. Напыление через'маску: г — нижних обкладок конденсаторов; G — диэлектрика; е — верхних обкладок конденсаторов; 也尸 нанесение защитного слоя; з — монтаж навесньпс компонентов с жесткими выводамиа — напыление резисторов через маску; 6 — напыление проводящей пленки;团一фотолитография проводящего слоя. Напыление через'маску: г — нижних обкладок конденсаторов; G — диэлектрика; е — верхних обкладок конденсаторов; 也尸 нанесение защитного слоя; з — монтаж навесньпс компонентов с жесткими выводами
Параметры
Материалы ди электрика
удельная емкость Со, пФ/мм3
тангенс угла диэлектрических потерь tg 6 при / = 1 кГц
удельное объемное
сопротивле- нне Ру, Ом-см
электрическая проч- н℃тьЕ“р, В/СМ
температурный коэффициент ТКС прн Г=— -60—85。。
1/℃
Моноокись кремния
6КО.028.004 ТУ
Халькогенидное стекло
ИКС-24
Негативныйфоторезист
ФН-108 ХАО.028.077 ТУ
Фоторезист ФН-11
ТУ 6-14-631—71
Лак полиимидный электроизоляционный
Окись кремния S1O2
17
50
12
53—8Э
8J—100
100
0,03
0,01
0,01
1 ・1()12
1・1012
1-1012
3-1012
2・1012
1-1013
3・10б 4・105
МО5 6-105 5-105 6・105
5J0-4
5.1Э-4
5-10—4
Параметры
Материалы ди электрика
удельная емкость Со, пФ/мм3
тангенс угла диэлектрических потерь tg 6 при / = 1 кГц
удельное объемное
сопротивле- нне Ру, Ом-см
электрическая проч- н℃тьЕ“р, В/СМ
температурный коэффициент ТКС прн Г=— -60—85。。
1/℃
Моноокись кремния
6КО.028.004 ТУ
Халькогенидное стекло
ИКС-24
Негативныйфоторезист
ФН-108 ХАО.028.077 ТУ
Фоторезист ФН-11
ТУ 6-14-631—71
Лак полиимидный электроизоляционный
Окись кремния S1O2
17
50
12
53—8Э
8J—100
100
0,03
0,01
0,01
1 ・1()12
1・1012
1-1012
3-1012
2・1012
1-1013
3・10б 4・105
МО5 6-105 5-105 6・105
5J0-4
5.1Э-4
5-10—4
Таблица 3.7
Электрофизические параметры материалов, применяемых для защиты элементов тонкопленочных ГИС
Таблица 3.7
Электрофизические параметры материалов, применяемых для защиты элементов тонкопленочных ГИС
Рис. 3.1. Технологический процесс производства тонкопленочной ГИС комбинированным масочным и фотолитографическим методами:
Рис. 3.1. Технологический процесс производства тонкопленочной ГИС комбинированным масочным и фотолитографическим методами:
а — напыление резисторов через маску; 6 — напыление проводящей пленки;团一фотолитография проводящего слоя. Напыление через'маску: г — нижних обкладок конденсаторов; G — диэлектрика; е — верхних обкладок конденсаторов; 也尸 нанесение защитного слоя; з — монтаж навесньпс компонентов с жесткими выводами
а — напыление резисторов через маску; 6 — напыление проводящей пленки;团一фотолитография проводящего слоя. Напыление через'маску: г — нижних обкладок конденсаторов; G — диэлектрика; е — верхних обкладок конденсаторов; 也尸 нанесение защитного слоя; з — монтаж навесньпс компонентов с жесткими выводами
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-
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.
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
троннолучевой——некоторые участки пленки удаляют по заданной
программе с подложки испарением под воздействием электронного
муча； лазерный ——аналогичен электроннолучевому, только вместо шектронного применяют луч лазера. Наибольшее распространение лолучили два первых спо-
-соба, а также их комбина ции.
Масочный метод. При ^сочном методе рекомен- -'тся такая последова- I ^ньность 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 ва
рианта технологии:
напыление материала резистивной пленки; напыление материала проводящей пленки； фотолитография проводящего слоя; фотолитография резистивного слоя; нанесе。
ние защитного слоя;
после проведения первых двух операций — фотолитография проводящего и резистивного слоев； фотолитография проводящего слоя; нанесение защитного слоя.
Прн производстве микросхем, содержащих проводники и рези-
98
93
сторы из двух разных резистивных материалов, рекомендуется та кая последовательность операций: напыление пленки первого рг зистивного материала; напыление пленки второго резнстнвнс материала； напыление материала проводящей пленки; фотолг , графия проводящего сз / фотолитография второ резистивного слоя; фото литография первого резисАр тивного слоя; нанесени1 защитного слоя.
I 1)напыление через маску резисторов; напыление проводящейрленки; фотолитография проводящего слоя; нанесение защитного
г
1
8丿
次丿
Комбинированный ма
сочный и
ческий метод. При
3
Рис. 3.2, Технологический процесс производства тонкопленочной ГИС комбинированным методом (масочным и двойной фотолитографии):
а ——напыление сплошных резистивной н проводящей пленок; 6 — травление проводящего и резистивного слоев; в — селективное травление проводящего слоя. Напыление через маску: г — нижних обкладок конденсаторов; д — диэлектрика; е — верхних обкладок конденсаторов; ою — нанесение защитного слоя; з — монтаж навесных компонентов
оя;
*2) напыление резистивной пленки; фотолитография резистивно- %лоя; напыление через маску проводников и контактных площа- jk; нанесение защитного слоя;
3) напыление резистивной пленки; напыление через маску кон- актных площадок и проводников; уфотолитография резистивного
卜』оя; нанесение защитного слоя.
， Рекомендации по применению методов изготовления ГИС. Ма-
小-точный метод применяют в мелкосерийном и серийном производ-
фотолитографи|；тве Точность изготовления R・ н С-элементов ±10%* Фотолитогра-
совм
щении масочного и фот ! литографического методов для микросхем, содержа] щих резисторы, проводник ки и конденсаторы, ис|
пользуют два варианта
технологии:
1) напыление ров через маску; ние проводящей на резистивную;
тография
резисто- напыле- пленку фотоли]
проводяще
слоя; поочередное напыл ние через маску нижни. обкладок, диэлектрика 玄 верхних обкладок конденсаторов; нанесение защитного слоя (рис. 3.1, а——加). На рис. 3.1, з показан монтаж навесных компонентов с жесткими выводами;
2) напыление резистивное пленки; напыление проводящей пленки на ре・ зистив'ную; фотолитография проводящего и резистивного слоев; фотолитография проводящего слоя, напыление через маску нижних обкладок, диэлек-
трика -и верхних обкладок конденсаторов; нанесение защитного слоя (рис. 3.2, 〃——宛).Монтаж навесных компонентов представлен на рис. 3.2, з.
Для схем, не содержащих конденсаторы, применяют один из трех вариантов: i
>ический 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 土 1 и 10% соответственно.
§ 3.4. Компоненты ГИС
f В качестве компонентов ГИС применяют диоды и диодные матрицы, транзисторы и транзисторные матрицы, полупроводниковые ИМС, конденсаторы, наборы прецизионных резисторов и конден- jiTopoB, индуктивности, дроссели, трансформаторы. Компоненты /огут иметь жесткие и гибкие выводы.
водов
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
из защитного покрытия до места площидкс должно быть не менееиз защитного покрытия до места площидкс должно быть не менееу：рам. На рис. 3.3 показаны способы установки, крепления и присоединения выводов компонентов ГИС. Гибкие выводы присоеди- 霁空в Тре контактной площадки (рис. 3.4), при этом конец гиб- кого вывода не должен выступать за пределы площадки Расстояние от места выхода гибкого вывода *
из защитного покрытия до места площидкс должно быть не менее
из защитного покрытия до места площидкс должно быть не менее
его присоединения к контактной половины высоты компонента.
Рис. 3.4. Крепление компонентов ГИС к плате и присоединение гибкого вывода к контактной площадке: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 (/ — подложка; 2 — контактная площадка; 3 — гибкий вывод; 4 — компонент ГИС)а—расположение вывода на контактной площадке; б — крепление компонента ГИС (/ — подложка; 2 — контактная площадка; 3 — гибкий вывод; 4 — компонент ГИС)
Рис. 3.4. Крепление компонентов ГИС к плате и присоединение гибкого вывода к контактной площадке:
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 (/ — подложка; 2 — контактная площадка; 3 — гиб
кий вывод; 4 — компонент ГИС)
а—расположение вывода на контактной площадке; б — крепление компонента ГИС (/ — 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. 3®, а диодов диодных матриц и диодных сборок —в табл. 3.10 и на рис. 3残
Конденсаторы. Перспективными для применения в ГИС являются керамические конденсаторы КЮ-17 (рис 3.7) и КЮ-9 (рис. 3.8, а — 8). 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, 6).
oo
£ ^ g к
о §
II
S ю
AS 、o
V
V
VK
Vo
IQ 1
八W
Yv ：v§
次专 w V^
V ё ё V。
OHO
尸€ 工 豊笋
熒
W Ve
CQ
1耻V
。^詰
S v
厶 а§
N 3ни
豆Способ У—о^^^Габ
аритные
нтнне размеры, м, не более .
Интервал рабочих температур, ℃
Масса, г, не более
Способ установки
Тип
Электрические нараметрн
「абар м
'ктах， мА
^Ктах» мВт
В
也21з
а
6
63
20
15
10
5
10
10
15
15
10
15
45
20
20—200 20—99
.4D—150
20
25—253 70—289 20—253 4)—120 20—120 43—400
80—240 40—200 4D—240
1,00 1,20 0,83 0,86 1,33 1,00 0,66 1,20 1,20 1,20 1,29 2,00 1,25
1,00 1,20 0,83 0,86 1,ЗЭ 1,03 ‘0,66
1,20 1,20 1,00 1,20 2,00 3,00
1,0 0,6 0,5 0,Q 1,1 1,0 0,6 0,8 0,8 0,8 0,8 1,0
1,00
—"10+>6 —40+8?
—60—85
260+85
—60*4-85 —6注85 —55+85
—60+125 —60+125
—60+85 —40+55
—60+85
—60—85
0,020 0,005 0,012 0,002 0,010 0,010 0,002 0,003 0,003 0,001 0,005 0,020 0,006
Рис. 3各 а
Рис. 3原 б
КТ120А-КТ120В КП201Е—КП201Л КТ202А—КТ202Г КТ307А—КТ307Г КТ317А—КТ317В КТ318А—2Т318В КТ324А—КТ324Е КТ331А—КТ331Г КТ332А-КТ332Д 2Т354А—2Т354В 2Т360А—2Т360В КТ369А—КТ369Г 2Т364А—2Т364В
• 10
20
10
20
15
20
20
20
20
20
20
250
200
10
159
15
15
15
15
15
15
15
20
10
50
ЗЭ
Рис. 3$ 8
2ТЗЗЗА—2ТЗЗЭЕ КТ348А—КТ348В КТ359А—КТ359В
20
15
20
15
15
15
10 5
15
50—280
25—250
50—280
0,75 0,75 0,75
0,75
0,75
0,75
0,34 0,34 0,34
—60+85
—40+85
-^"5口+85
0,010
0,010
0,010
40 J 200 J Ю—40
ллектора;'
в цепи коллектора；
коллектор — эмиттер при ^эб^10 к( по Току в схеме с общим эмиттером.
1,25 1 1,25
0,37
—60+125
0,003
Рис. 3，г
П р н м е ч а
[2T205A
[и е: & max 一 максимал! р , max. ~' максимальнг
、力 к» — постоянное Л21э— коэффициен
20
,ный ток ко 1Я МОЩНОСТ1 напряжение г усиления
способ установки
,.tsi 22尸不 fKc2
>>立汴宁 能/ ^寸；沿屮
н
5-5石 石乙ё
%6p inax，В
——215
О5ОJ51J
4屮 max，мА
3334664
к оличестно
00I-f—I 二二
Q
二 4
О
"^WО О t^q О8О
н
о о。。 о оо
J1ООоОО
肾 !、s鄧3 晶 8 &
Масса, г, не более
Таблица 3・5 СОСО6установки на плату- злектрниескме параметры》габаритные н a^3noss=SH£pffis^ размеры бескорпуснЕХ ДНОАНЕХ матрн
Анодных сборок》днонов
ГТ р н м ена н м е: иостр ma* I постоянное обратное напряясенне и интервале темпера* тур I 60屮80。
Уцр max I суммарнсА средняя прямое TQK через все диоды s^s однн днод в интервале температур 160+85。
Bs60p тмпа конденсатора Производят по знапенн2M емкости рабочего наир 宣 еняз интервалу рабоимх температур- донустнмок реактивной мощности н допустимому отклонению емкостн от номн， нала-
Керамнческне КОНАенсаторЕ в завнснмостн от внда применен， ной плн днзлектрнка керамнкодразпе<ияют на ^^^да^г конден* сатьрЕ с Анзпектрнком нз BblcoKouacTOTHO* керамики ммеют нор* мнрованнЕЙ ТКС (ГРУППЕ гтзз・ М47》М75・ М75М1509 М22。。)， В нагшсаннн группа букв означает- 口 — положнтенышй〉м — от， рннатехьнь-в 〔Key а цифра ——среднее знменне ткс・ 10厶 Haqac， тотах порядка мегагерВ зависнмостн от номинала допустимое
105
另外2)
Рис. 3.5. Способы установки на плату, габаритные и присоединительные размерытранзисторов в соответствии с табл. 3.9
Размеры контактных площадок приведены в табл. 3.15
勿勿
Рис з 6 Способы установки, габаритные и присоединительные размеры Диодных 一 • матриц и диодных сборок в соответствии с табл. и
w询屮Н貳. (цосеребрень1й)
Рис. 3.7.Конструкции конденсатораI
КЮ-17 снелужеными и лужеными*(
выводами(Bi, Lb /Л — размеры по-|
еле лужения)I
Пределы н o^i иня льных емкостей для групп ТКС, нФ
Габаритные размеры, мм
入
Л
8
н
3
&
Я,
т
ПЗЗ
М47
М75
22—68
75—150
160—510
560—910
1 000—1830 560—820
1000—loOO 2000—3000
22—82
91—183
2ЭЭ—620 693-1033 1100—2390
68Э—10ЭЭ 1103—18)3 24ЭЭ—36ЭЭ
33—ЮЭ ПО—23Э 220—910
1000—1200 1330-240J 10ЭЭ—15ЭЭ 16)3—2003 27J0—39JJ
3,5
10
1,5
5,5
5,5
5,5
5,5
4；3
【，0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,8 1,、 1,8
1,5
5,5
5,5
5,5
5,5
1,4 1,9 3,0 3,0 4,6 3,0 3,0
4,6
1,2
1,2
1,2
0,2—0,5 0,2—0,7
1,5—2*
1,5-2
1—1,5
1,2—2
1,5-2
0；2 『,3
0,4 0,5
Параметр* конденсаторов КЮ-17
Таблица 3.11
Рис. 3.8. Конструкции конденсатора КЮ-9 с ннмн (б) выводами; конденсатора К10-9М с (В, S — размеры после металлизации, 8卜 S】
нелужеными (а) и луже- лужеными выводами (в)
—размеры после металли-
Рис. 3.9. Способы установки конденсаторов КЮ-17 и КЮ-9 на плату ГИС:
а — с гибкими выводами; 6 — на контактные площадки
*l一r一 ， Таблица 3.12
SПараметры конденсаторойчКЮ-9
Пределы номинальных емкостей для групп ТКС, пФ
Допустимая реактивная мощность, вар
Габаритные размеры, мм
ПЗЗ, М47
М75
М1500
нзо 、
Н90
£
в
S
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
30Т1
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
0,3
0,6
5
56—120
130—270
430—1 000
4 70J6 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
22”470
2 200—4 700
6 800—15 000
2,5
2
4
1
d
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
— ‘ ' — . —Пподолжениа табл Я 19
Пределы номинальных емкостей для групп ТКС, пф
Допустима реактивна мощность, вар
Габаритные размеры, мм
ПЗЗ, М47
М75
М1500
нзо
Н90
я и
Z
8
S
В,
S】
II
12
27-38
68—91
273—390
3 300
15 000
2,5
2
2
1,4
2
2
0,2
68-—100
130—200
510—750
6 800
22 000
5
2
4
1,4
4
0,3
13
110—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
1Л
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
ПО—15Э
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—3 000
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—39 00
9 100—15 000
10 000—15 000 :
S3 000—47 000
30 1
8
8
2,5
8
1,5
Параметры конденсаторов К53-15_________
Номинальное напряжение, В
Номинальная емкость, мкФ
Габаритные размеры, мм
Масса, г, не более
L，
8
н
д
3
2,2; 3,3
2,5 _
4
2
2,3
0,15
0,25
4,7; 6,7
5,0
0,65
10; 15
8
5,5
1,5
22; 33
10,0
6,3
1,5; 2,2
—2,5
4
2
2,3
0,15
5,0
0,25
3,3; 4,7
8
5,5
0,65
6,8
1,5
10; 15
10,0
10
1,0; 1；5
2,5
4
2
2,3
0,65
1,5
2,2; 3,3
5.0
0,15
16
0,68; 1,0
2,5 .
4
2
2,3
0,25
1,5； 2,2
5,0
8
5,5
0,65
3,3; 4,7
1,5
6,8; 10
10,0
20
0,47; 0,68
2,5.
4
2
2,3
0,15
0,25
5,0
1,0; 1,5
8
5,5
0,65
2,2; 3,3
1,5
4,7; 6,8
10,0
33
0,1； 0,15; 0,22
2,5
4
1,6
2,3
0,12
0,25
0,68; 1,0
5,0
2
5,5
0,65
1,5; 2,2
1,5
3,3; 4,7
10,0
8
2,3
0,15
0,33; 0,47
2,5
Таблица 3.13
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 士30, ±50, —70+50, —90+50%.
Номинальное напряжение конденсаторовгК10-17 25 В, интервал рабочих температур —60-^80° С, сопротивление изоляции не менее 10 МОм. Конденсаторы^^!0-Фработают при более низких напряжены я х~(цЬ 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 30 В 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.
I I 04?土405
Рис. 3.10. Конструкция конденсатора К53-15
V管生
Номинальное напряжение, В
Номинальная емкость, мкФ
Размеры, мм
Масса, г, не более
4пах
'max
"max
1,6
1,5； 2,2
1,9
3,4
3,4
0,05
4,7
2,3
3,7
1,6
0,075
6,8; 10
2,3
5,0
1,6
0,1
Таблица 3.14
Параметры конденсаторов К53-16
Рис. 3.11. Конструкция конденсатора К53-16
табл. 3.14
Номинальное напряжение, В
Номинальная емкость, мкФ
Размеры, мм
Масса, г, не более
^шах
8щах
Нщах
3
1,0
1,9
3,4
1,2
0,05
3,3
2,3
3,7
1,6
0,075
4,7
2,3
5,0
1,6
0,1
4
2,2
2,3
3,7
1,6
0,075
3,3
2,3
5,0
1.6
0,1
6,3
0,68
1,9
3,4
1,2
0,05
1,5
2,3
3,7
1,6
0,075
2,2
2,3
5,0
1,6
0,1
0,47
1.9
3,4
1,2
0,05
10
1,0
2,3
3,7
1,6
0,075
1,5
2,3
5,0
1,6
0,1
16
0,33
1,9
3,4
1,2
0,05
0,68
2,3
3,7
1,6
0,075
1,0
2,3
5,0
1.6
0,01
0,22
1,9
3,4
1,2
0,05
20
0,47
2,3
3,7
1,6
0,075
0,68
2,3
5,0
1,6
0,1
0,01; 0,015 0,022; 0,033 0,047; 0,047;
1,9
3,4
1,2
0,05
30
0,1
0,15
0,22; 0,33
2,3
3,7
1,6
0,075
0,47
2,3
5,0
1,6
0,1
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:
каждая плата микросхемы должна иметь ключ, которым яв・一 ляется нижняя левая контактная площадка с вырезом по большей стороне платы или специальный знак в форме треугольника, пря- моугольника;
Таблица 3.15
Конструктивные и технологические ограничения
*при проектировании тонкопленочных ГИС
Элемент топологии
Содержание ограничения
Размер ограничения, мм, при использовании метода
М
МФ
ЭИ
Точность изготовления линейных размеров пленочных элементов и расстояний между ними А/, АЬ, До, AL, Ав и других при расположении пленочных элементов в одном слое, мм
±0,01
±0,01
处。!
土 0,01
±0,01
Минимально допустимый размер резистора, мм b
0,1
0,15
0,05
0,3
0,1
0,3
■0,1
耳
2 —
. Минимально- допустимые расстояния между пленочными элементами, расположенными в одном слое, а, мм
0,3
少
9Д
0,1
0,05
J
Максимально допустимое соотношение размеров 〃а
10
少
30_
100
d
9
另
Максимально допустимое расстояние между пленочными элементами, расположенными в разных слоях, с, мм
0,2
у
丝
0,1
a-
Перекрытия для совмещения пленочных элементов, расположенные в разных слоях, е, мм
》0,2
》0,1
Минимальное расстояние от пленочных элементов до края платы d, мм
0,5
0,2
泪
0,4
0,2
Минимальная ширина пленочных проводников мм
0,1
0,05
0,1
0.1
0,05
Минимально допустимое расстояние между краем пленочного резистора и краем его контактной площадки /, мм
1
0,2
0,1
0,2
0,1
0,1
•113
Поодолжение табл. 3.15
Элемент топологии
■ Содержание ограничения
Рс
М
1змер or исполь
Ф
^аинчею зовании
МФ
1Я, мм, метода
ЭИ
】рн4
ТА
Минимально допустимые расстояния, мм: между краями диэлектрика и нижней обкладки конденсатора /
0,1
0,1
0,1
0,1
-%
между краями верхней и нижней обкладок конденсатора g
0；2''；.
V
弋
между краем диэлектрика и соединением вывода конденсатора с другим пленочным элементом h
0,3、
и
02
между краем диэлектрика и нижней обкладкой конденсатора в месте вывода верхней обкладки с
.。，2_(
\\\\\
1
纟
.6 一
7
от пленочного конденсатора до приклеиваемых навесных компонентов z
0,51
Минимальная площадь перекрытия обкладок конденсаторов LX5, мм2
0,5 X 0,5.
Максимальное отклонение емкости конденсатора от номинального значения, %
±121
Элемент топологии . Содержание ограничения
М
Ф
МФ
ЭИ
ТА
ПроОоА^нсение табл. 3.15
Размер ограничения, мм, при использовании метода
Минимальное расстояние от проволочного проводника или вывода до края контактной площадки или до края пленочного проводника, не защищенного изоляцией, 电мм
0,2
Минимальные размеры контактных площадок для монтажа навесных компонентов с шариковыми или столбиковыми выводами, мм
m л
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 л припайки проволочных проводников, мм
0,2
Максимальная длина гибкого вывода без дополнительного крепления о, мм
3,0
Минимальные расстояния, мм, между контактными площадками для монтажа навесных компонентов с шариковыми или столбиковыми выводами и пленочным резистором r диэлектриком конденсатора 6
0,6
0,35
Минимальные расстояния, мм, от края навесного компонента, до: края платы q края другого компонента г края навесного пассивного компонента краяконтактной
площадки, предназначенной для приварки проволочных ВЫВОДОВ, S проволочного проводника луженого пленочного элемента
0,4
О" 0,6
0,4
0,3
0,2」
Для всех методов
Продолжение табл. 3.15
Элемент топологии
Содержание ограничения
Размер ограничения, мм, при использовании метода
М
Ф
МФ
ЭИ
ТА
Минимальные размеры контактных площадок для приварки проволочных проводников или проволочных ВЫВОДОВ навесных компонентов при диаметре проволоки, мм:
для одного проводника
0 0,03 для двух 'проводников
для трех проводников
'для одного проводника
0 0 04 для АВУХ 'проводников
для трех
.проводников
'для одного проводника
0 0,05 для № 'проводников
для трех проводников
0,15X0,1
0,2X0,2
0,2 X 0,3
0,2X0,15
0,25X0.25
0,25X0,40
0,25X0,2
0,3 X 0,3
0,3 X 0,5
в одной микросхеме следует применять навесные компоненты с одинаковым диаметром и материалом гибких выводов. Однотипные по расположению выводов компоненты предпочтительнее ориентировать одинаково;
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;
при рядном расположении навесных компонентов рекомендуется рядное расположение контактных площадок под одноименные выводы;
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;
не допускаются резкие изгибы и натяжение проволочных проводников. Не рекомендуется делать перегиб проволочного вывода 116
через навесной компонент. Проволочные проводники и гибкие выводы не должны проходить над пленочным конденсатором;
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). '
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》.
醫醫Рис. 3.12. Конфигурации тонкопленочных резисторов: а — полоска; б — составной из полосок; в — меандр； г — змейкаРис. 3.12. Конфигурации тонкопленочных резисторов: а — полоска; б — составной из полосок; в — меандр； г — змейкай О2)й О2)
醫
醫
Рис. 3.12. Конфигурации тонкопленочных резисторов: а — полоска; б — составной из полосок; в — меандр； г — змейка
Рис. 3.12. Конфигурации тонкопленочных резисторов: а — полоска; б — составной из полосок; в — меандр； г — змейка
й О
2)
й О
2)
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 / не должна превышать расстояние а более чем в 10 раз для обеспечения необходимой жесткости маски. При этом точность из- готовлення резисторов типа 《меандр》и 《змейка》 не превышает 20%. Для получения большей точности рекомендуется применять конфигурацию, изображенную на рис.
или выполнять резистор методом фотолитографии.
й"~й йРис. 3.13. Конфигурации резисторов, сопротивление которых зависит от погрешности совмещения слоевй"~й йРис. 3.13. Конфигурации резисторов, сопротивление которых зависит от погрешности совмещения слоевМеандр 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.
й"~й й
Рис. 3.13. Конфигурации резисторов, сопротивление которых зависит от погрешности совмещения слоев
й"~й й
Рис. 3.13. Конфигурации резисторов, сопротивление которых зависит от погрешности совмещения слоев
Контактные площадки следует располагать с npoTHBonOvHoxHbix 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 丫^ в условиях существующих технологических возможностей.
k|gjc94Hbie jiaHHbie лля pacqei产 номинал резистора R, Ом; до- JiycR на номинал yR. > %； мощность рассеяния 尸厶 мВт; рабочий диапазон температур Ттах—「mm, ℃; технологические ограничения (см. табл. ЗД5); шаг координатной сетки, мм.
Порядок расчета
Определяют оптимальное с точки зрения минимума площади под резисторами ГИС сопротивление квадрата резистивной пленки:
，(3.1)
'£ I/Q
где п ——число резисторов; Rf ——номинал z-ro резистора.
По табл. 3.4 выбирают материал резистивной пленки с удельным сопротивлением, ближайшим по значению к вычисленному ps опт • При этом необходимо, чтобы TKR материала был минимальным, а удельная мощность рассеяния 尸。一максимальной.
Производят проверку правильности выбранного материала с точки зрения точности изготовления резисторов.
Полная относительная погрешность изготовления пленочного резистора w'RiR состоит из суммы погрешностей;
Yr=相 + % s + Y& + Y%t + 丫&，
где 丫* —погрешность коэффициента формы； 丫卩$—погрешность воспроизведения величины р$ резистивной пленки; \r(——температурная погрешность; уяст ——погрешность, обусловленная старением пленки; \2к —погрешность переходных сопротивлений контактов.
Погрешность коэффициента формы укф зависит от погрешностей геометрических размеров — длины / и ширины b резистора:
Погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления ур$ зависит от условий напыления и материала резистивной пленки. В условиях серийного производства ее значение не превышает 5%.
Температурная погрешностьТемпературная погрешность、％ = «У? (Тmax — 20℃),、％ = «У? (Тmax — 20℃),(3.2)(3.2)зависит от TKR материала пленки:
Температурная погрешность
Температурная погрешность
、％ = «У? (Тmax — 20℃),
、％ = «У? (Тmax — 20℃),
(3.2)
(3.2)
где а；г ——температурный коэффициент сопротивления материала пленки, 1广 С.
Погрешность \нст, 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 Ynст не превышает 3%.
Погрешность переходных сопротивлений контактов yrk зависит от технологических условий напыления пленок, удельного сопротивления резистивной пленкн и геометрических размеров контактного перехода： длины перекрытия контактирующих пленок, ширины резистора. Обычно улк =1+2%. Если материал контактных площадок выбран в соответствии с табл. 3.4, то этой погреш-
ностью можно пренебречь.
Допустимая погрешность коэффициента формы
(3.3)
если значение доп отрицательно, то это означает, что изго- товление резистора заданной точности из выбранного материала невозможно. В этом случае необходимо выбрать другой материал с меньшим TKR либо использовать подгонку резисторов, если позволяет технологическое оборудование.
циента формы ^ф：циента формы ^ф：Кф, = К//р5・Кф, = К//р5・(3.4)(3.4)Определяют конструкцию резисторов по значению коэффи-
циента формы ^ф：
циента формы ^ф：
Кф, = К//р5・
Кф, = К//р5・
(3.4)
(3.4)
При 1《Кф/&10 рекомендуется конструктировать резистор прямоугольной формы, изображенный на рис, 3.12, при ^фz > 10 —— резистор сложной формы (составной, меандр или типа «змейка», рис. 3.12, б—г), при 0,1 ^^z^ 1 — резистор прямоугольной формы, у которого длина меньше ширины. Конструировать резистор с /Сф^ <0,1 не рекомендуется, так какой 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 р$ сначала для всех резисторов по формуле (3.1), после чего разбивают резисторы на две группы так, чтобы Rt max первой группы было меньше, a Ri mm второй группы——больше значения р^ , вычисленного для всех резисторов. Затем по этой же формуле рассчитывают р^^ и pSonTa и выбирают материалы для каждой группы резисторов в отдельности.
Дальнейший расчет проводят в зависимости от формы резисторов.
Рис. 3.14. К расчету резисторов типа《полоска» (а) и《меандр》(6)Рис. 3.14. К расчету резисторов типа《полоска» (а) и《меандр》(6)Расчет прямоугольных полосковых резисторов. Для резисторов, имеющих Лф^ 1 (рис. 3.14, а, 6), сначала определяют ширину, а затем длину резистора. Расчетное значение ширины резистора должно быть не менее наибольшего значения одной из трех величин:
Рис. 3.14. К расчету резисторов типа《полоска» (а) и《меандр》(6)
Рис. 3.14. К расчету резисторов типа《полоска» (а) и《меандр》(6)
ми технологическогоми технологическогопроцесса (см.процесса (см.табл. 3.15); 6табл. 3.15); 6точн ——ширина резисто-точн ——ширина резисто-"расч ^*таХ 传丁©^； ^ючн； ^Р j, (3.5) где Ьтехн ——минимальная ширина резистора, определяемая возможности-
ми технологического
ми технологического
процесса (см.
процесса (см.
табл. 3.15); 6
табл. 3.15); 6
точн ——ширина резисто-
точн ——ширина резисто-
ра, определяемая точностью изготовления:
"тан》-宁^-小一(3.6)
(А> Д/ ——погрешности изготовления ширины и длины резистора» зависящие от метода изготовления, см. табл. 3.15); 6Р — минимальная ширина резистора, при которой обеспечивается заданная мощность:
喜=]/斉•(3.7)
За ширину 6 резистора принимают ближайшее к Ьрасу 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:
"расч^^бКф.(3.8)
За длину / 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：
%“н=/+2е,(3.9)
где е — размер перекрытия резистора и контактных площадок (см. табл. 3.15).:
При использовании метода двойной фотолитографии /Полн = А Площадь, занимаемая резистором на подложке,
S = /M・(3.10)
Для резисторов, имеющих ^ф<l, сначала определяют длину, а затем ширину резистора.
Расчетное значение длины резистора /pacq выбирают из условия /расч》таХ {&]00 4очн, "},(3'1)
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:
4С(А/ + 2Кф)/Укф,(3.12)
/р——минимальная длина резистора, при которой рассеивается заданная мощность:
Ip=VP“Pq.(3.13)
За длину / резистора принимают ближайшее к /расч значение, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии.
Расчетную ширину резистора определяют по формуле
.брас产〃 Кф・(3・14)
За ширину b резистора принимают ближайшее к bpacq значение, кратное шагу координатной сетки. При этом следует оценивать получающуюся погрешность и при необходимости корректировать значение длины / резистора в большую сторону, при котором округление ширины Ь^сч 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:/
удельная мощность рассеяния Pq не превышает допустимого значения Pq：
R=P/S《R；(3.15)
погрешность коэффициента формы уКф не превышает допустимого значения укфдоп :
Yq=А/〃полн +А6/6 W Yq^on；(3.16)
суммарная погрешность у} не превышает допуска у"
Yr = ?s + & + y~ + Yrk + y,Rct《Yq(3-17)
Конструктивный расчет тонкопленочных резисторов сложной формы. При конструировании резистора в виде отдельных резистив- нмх полосок, соединенных проводящими перемычками (см. рис.
б), сумма длин резистивных полосок должна быть равна длине, определенной по формуле / = ЬКф.
Резисторы типа «меандр》(рис. 3.14, б) рассчитывают из условия минимальной площади, занимаемой резистором.
Расчет меандра проводят после определения ширины b рези工 тора в 1акой последовательности.
Определяют длину средней линии меандра：
1„=ЪК^(3.18)
Задают расстояние между резистивными полосками а. С учетом технологических ограничений (см. табл. 3.15) при масочном методе Omin = 300 мкм, при фотолитографии «mln = 100 мкм (обычно зад: а = b).
Находят шаг одного звена меандра:
■/=。十瓦(3.19)
Определяют оптимальное число звеньев меандра 孔^口？ из условь чтобы площадь, занимаемая резистором 1ипа 《меанлр》, была мин^ мальной. Очевидно, это будет в случае, когда меандр вписывается ь квадрат (L = B).
Если отношение длины средней линии меандра к Ширине резистивной полоски больше 10, то оптимальное число звеньев меандра может быть вычислено по приближенной формуле
/г。7配.(3.20)
При L = B (меандр квадратной формы) и а = Ь выражение упрощается:
пот^У1Щ2.(3.21；
Значение лгОпт округляют до ближайшего целого.
Определяют длину меандра:
L = n(a^t>).(3.22)
Вычисляют ширину меандра:
5 =-匸竺_,(3.23,
где п ——оптимальное число звеньев меандра, округленное до ближайшего целого.
Расстояние а выбирают из конструктивно-технологических соображений. Например, при напылении резисторов через маску размер 0mm определяется минимально возможным расстоянием между соседними щелями в маске. Для обеспечения требуемой жесткости маски оно должно удовлетворять условию
%ах/а < 10-(324)
Если это условие не выполняется, необходимо изменить расстояние а и вновь вычислить /?опт,厶 В. Для фотолитографического метода указанное условие некритично.
плотности тока в резисторах типа 《меандр»плотности тока в резисторах типа 《меандр»Рис. 3.16. Конструкции изгибов пленочных резисторов типа《меандр》：Рис. 3.16. Конструкции изгибов пленочных резисторов типа《меандр》：Приведенные расчетные соотношения не учитывают, что в резис- горах типа «меандр» плотность тока в изгибах неравномерна (рис. 丿.15). Это приводит 'К сокращению электрической длины пленочного
плотности тока в резисторах типа 《меандр»
плотности тока в резисторах типа 《меандр»
Рис. 3.16. Конструкции изгибов пленочных резисторов типа《меандр》：
Рис. 3.16. Конструкции изгибов пленочных резисторов типа《меандр》：
а — изгиб под прямым углом; 6 — П-об-разный изгиб
резистора и уменьшению его сопротивления. Неравномерное распределение плотности тока наблюдается в пределах трех квадратов области изгиба (рис. 3.16, а, 6)..
Для приближенной оценки сопротивления меандра можно воспользоваться формулой
R、Ps Gcp/，) = %Кф・
•/ Для уточненного расчета с учетом изгибов конструкцию резистора типа «меандра можно представить в виде последовательно соединенных прямолнне访ных участков и изгибов. При этом его сопротивление можно определить как сумму сопротивлений прямолинейных участков и изгибов:
R=Ru+ -? Ps,(3.25)
女е Ri ——сопротивление изгибов; т ——число изгибов, Zn — длина прямолинейных участков; п — число звеньев меандра.
Для изгиба под прямым углом (рис. 3.16, a) ^H = 2,55ps, для П-образного изгиба (рис. 3.16, б) Rn=4 ps. Отсюда длина прямолинейного участка одного звена меандра .
4 =(3.26)
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 прн 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 U и число звеньев меандра 孔‘：
Z/ = S/8「M = Z/"・
Пример расчета группы резисторов
Определить форму, геометрические размеры, метод изготовления и минимальную площадь, занимаемую резисторами на подложке, при следующих исходных данных: номиналы резисторов R】=6 кОм, Т?2=1 кОм, R3=l00 кОм, допустимое отклонение сопротивления резисторов от номинала 丫欠】 =5%, уЛ2 Лз = 15%; мощности рассеяния Р\ = 10 мВт, Р2=30 мВт, Ps= 16 мВт; диапазон температур ——20—100° С; погрешность воспроизведения материала резистивной пленки Yp =2,5%; погрешность старения резистивной пленки у^с.г =0,3%.]
Определяем оптимальное сопротивление квадрата резистивной пленки nJ формуле (3.1):t
/+ Ш +с
I / ；= 9,э4 кОм/Q.
KscmT— у 1/6+ 1/100 + 1
По табл. 3.4 выбираем материал резистивной пленки с ближайшим к psonT значением р$ — кермет К-50С. Его параметры: ps=10 кОм/口，TKR = —5Х ХЮ— 1/℃； Р° = 20 мВт/мм2.
Проверяем правильность выбранного материала. В соответствии с выражением (3.2) температурная погрешность yR^ = ^ 10~4-80-100 = 4%, а допустимая погрешность коэффициента формы для наиболее точного резистора по (3.3) 7КфДоп1 = 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 Ri 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: р& = 2 кОм/П, TKR=—0,2-10-4 1/°С, Ро = 2О мВт/мм2.
Определяем температурную погрешность сплава РС-3001: ук/ = 0,2- 10~4Х Х80-100=0,16%. Допустимая погрешность коэффициента формы для первого» наиболее точного резистора укфДоп1 = 5——2,5——0,16——0,3=2,04%. Соответственно для второго и третьего резисторов укфДоп2= 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): ^фl = 3 ——резистор R】 прямоугольной формы типа полоски, /Сф2—0,5 ——резистор /?2 прямоугольной формы, но его длина меньше ширины, КФз=50 ——резистор Кз 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 н 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 Ri= ±5% и требуется* чтобы резисторы занимали минимальную площадь, для данного случая следуе*^ выбрать фотолитографический метод и выполнять резистор в ввде меандра. 6t
По табл. 3.15 определяем технологические ограничения для метода фотоли тографии Д/ = Л/? ==0,01 ММ, Йтехн = ^техн = 0,1 ММ, amIn = 0,l мм, &min = Q,l мм：
Далее проводим расчет последовательно для каждого резистора.
Расчет резистора RРасчет резистора RРасчетную ширинуРасчетную ширинурезистора определяем по выражениям (3.5) — (3.7) •
Расчет резистора R
Расчет резистора R
Расчетную ширину
Расчетную ширину
= (0,01+0,01/3)/0,0204= 0,654 мм,
V 10/(20*3) =0,408 мм..
С учетом округления принимаем 6尸0,66 мм. Длина резистора по (3.8) L = 0,66・3= 1,98 мм. Полную длину резистора с учетом перекрытия контактных f площадок (не определяется при методе двойной фотолитографии) находим по ,(3.9)： /полн = 1,984-2-0,1 =2,18 мм. Площадь резистора по (ЗЛО) Si = 0,66，》」8= '=1,439 мм2.
Для проверки определяем действительную удельную мощность и погрешность 、изготовления резистора R〔 по формулам (3.15) — (3.17):
"Р；1= 10/1,439 = 6,95 мВт/мм2<20 мВт/мм2,
г：7^ = (0,01/2,18)4-(0,01/0,66)=- 0,019< 0,0204,
у^=-2,5+0,16+ 0,3 + 1,9 = 4,86% <5%.
у Ра счет резистора R2
Поскольку коэффициент формы резистора R2 меньше единицы, расчет начинаем с определения длины по формулам (3.11) — (3.13):
рА= )<(35石；切同=0,866 мм; /TcqH2 = (0,01+0,01・0,5)/0,l2 = 0,125MM；ZTeXH
' выбираем по табл. 3.15、Для метода фотолитографии /техн = 0,1 мм. Окончатель^ но с учетом шага координатной сетки /2=0,87 мм. Расчетная ширина по (3.J4) 62=0,87/0,5= 1,74 мм. Полная длина с учетом перекрытия контактных площа* док /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 погреш* ность изготовления резистора R2 по формулам (3.15) — (3.17):
》/^2 = 33/1,86=16,1 мВт/мм2 V20 мВт/мм2,
Y*中2=(°，°1/1，°7) + (0,0" 1*4) = 0,015 <0,12,yK = 2,5 + 0,16 + 0,3+ 1,5 = 4,46% < 15%.
Расчет резистора 7?3
После определения К® и выбора формы резистора стора 凡 типа «меандр» по формулам (3.5) — (3,7):
,0,01 + 0,01/59, /
^точнЗ =0 J? = 0,085 мм;力а = 1/
находим ширину рези-находим ширину рези-」^- =0,126 мм； 20-53」^- =0,126 мм； 20-53%ехн=0，1 ММ・
находим ширину рези-
находим ширину рези-
」^- =0,126 мм； 20-53
」^- =0,126 мм； 20-53
二 С учетом округления Z)3~0,130 мм.
七 Длина средней линии меандра по (3.18) /срз=0,13-50=6,5 мм. Задаемся +、 расстоянием между соседними звеньями меандра. Для метода фотолитографии [；о табл. 3.15 amin = 0,100 мм. Пусть а3—f?3 = 0,13 / мм. Шаг одного звена по 尹 3」9) /=2松=(Х26 мм. Оптимальное число 'звеньев меавдра по (3.11)
* Лопт = ]Л(0,13*53)/0,26 = 5. Длина меандра по (3.22)厶= 5・0,2б=1,3 мм. Ши
рина меандра по (3.23) В— (6,5—0,13-5)/5= 1Д7 мм.
Проведем уточненный расчет резистора R3 с учетом неравномерности плс «ости тока в изгибах.
Топология резистора с 匕=5 приведена на рис. 3.17. Выделим элеме! П-образных изгибов, так как а=Ь, Количество элементов изгибов m=n (с :. том двух приконтактных областей гибов). Сопротивление П-образных гибов Ru = 4ps.<О
Рассчитаем длину прямолинег участков по (3.26):；
приведена на
100—5-4-2
—0,13 = 0,78 壮
Рнс. 3.17. К примеру расчета рези-стора типа《меандр》
「оз = 16/1,69 = 9,47
Окончательные габаритные paS резистора: длина L по (3.22) X (0,13+0,13) = 1,3 мм, ширина •'^ (рис. 3.17)
•B =厶[十 46 = 0,78+4，0,13 = 1,3 r
Габаритная площадь резистора 5 ==LB = 1,3-1,3=1,69 мм2.*
Проверка расчета резистора R3 по формулам (3.15) — (3.17):
мВт/мм2 <^2] мВт/мм2；
Проверки
у^3 = (0,01/0,13)+ (3,01/3,13.53) = 0,978 <0,12;'
у% =2,5 + 0,16+0,3 十7,8 = 10,76% < 15%..,
показывают, что все резисторы спроектированы удовлетвор
тельно.
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 § 32
ь
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 плошадью верх-'' ней обкладки). На рис. 3.18 приведена конструкция конденсатора 126
Рис. 3.21. Конструкция конденсатора, состоящего из двух последовательно соединенных конденсаторов, использующих в качестве диэлектрика подложкуРис. 3.21. Конструкция конденсатора, состоящего из двух последовательно соединенных конденсаторов, использующих в качестве диэлектрика подложкуощадью верхней обкладки более 5 мм2. Так как верхние обклад- '”ормнруют масочным методом, то для устранения погрешности Мщения маски в месте вывода верхней обкладки с противопо- ,；юй стороны от вывода делают компенсатор. При значительной ——血адн верхней обкладки эта погрешность мала и компенсатор лен. При активной площади пленочного конденсатора менее ”可* ' начинает оказываться краевой эффект, причем тем сильнее, ；纟 -эньше площадь. При активной площади от 1 до 5 мм2 обклад- щенсатора можно выполнять в виде двух взаимно пересекаю- $〔!「 л полосок (рис. 3.19). Если расчетная площадь конденсатора не 1 мм2, конденсатор можно выполнять в виде последователь- • уединенных конденсаторов (рис. 3.20). Если расчетная площадь
Рис. 3.21. Конструкция конденсатора, состоящего из двух последовательно соединенных конденсаторов, использующих в качестве диэлектрика подложку
Рис. 3.21. Конструкция конденсатора, состоящего из двух последовательно соединенных конденсаторов, использующих в качестве диэлектрика подложку
чс. 3.20. Конструкция конденсатора расчетной площадью менее 1 мм2 в иде двух последовательно соединенных конденсаторов
шком мала и не позволяет конструировать конденсатор приемле- 、размеров, можпо использовать в качестве диэлектрика подложку (рис. 3.21), (которая должна быть пригодна для напыления обкладок 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 конденсатораРис. 3.22. Конструкция гребенчатого конденсатораРис. 3.23. Конструкция конденсатора с двусторонним, (а) и односторонним (6) расположением выводов верхней и нижней обкладокРис. 3.23. Конструкция конденсатора с двусторонним, (а) и односторонним (6) расположением выводов верхней и нижней обкладок
Рис. 3.22. Конструкция гребенчатого конденсатора
Рис. 3.22. Конструкция гребенчатого конденсатора
Рис. 3.23. Конструкция конденсатора с двусторонним, (а) и односторонним (6) расположением выводов верхней и нижней обкладок
Рис. 3.23. Конструкция конденсатора с двусторонним, (а) и односторонним (6) расположением выводов верхней и нижней обкладок
жением выводов. Предпочтительнее второй вариант, так как на час- телах выше 10 МГц емкость конденсатора с ростом частоты падает тленнее при двустороннем (рис. 3.23, а), чем при одностороннем хРис. 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
^mfn》К§Uраб〕Е^mfn》К§Uраб〕Е(3.27)(3.27)
^mfn》К§Uраб〕Е
^mfn》К§Uраб〕Е
(3.27)
(3.27)
где Кз ——коэффициент запаса электрической прочности (для пленочных конденсаторов 凡=2+3); t/pa6 — рабочее напряжение, В; Ецр — электрическая прочность материала диэлектрика, В/мм.
Суммарную относительную погрешность емкости конденсатора определяют по формуле〜
Y0 = Y/ + YS + Y4 + Y*(3.2；
гае Yc0——относительная погрешность удельной емкости, xapaKi'v- ризующая воспроизводимость удельной емкости в условиях данно- 、 го производства (зависит от материала и погрешности толщины диэлектрика и составляет 3—5%)； 丫$ — относительная погрешность активной площади пленочного конденсатора (зависит от точности геометрических размеров, формы и площади верхних обкладок конденсатора): ycz—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
Y& = a"皿一200(3.29)
где ас ——ТКС материала диэлектрика, определяемый по табл. 3.6. Относительная погрешность активной площади конденсатора
YsYsASASДАВ + ДВАZbДАВ + ДВАZb(3.30)(3.30)
Ys
Ys
AS
AS
ДАВ + ДВАZb
ДАВ + ДВАZb
(3.30)
(3.30)
где AS, ДА, АВ — соотвётственно погрешности площади, длины и ширины верхней обкладки.
Относительная погрешность активной площади конденсатора (площади перекрытия обкладок) минимальна, если обкладки име- 40T форму квадрата. Отклонение контура верхней обкладки от квадрата сопровождается увеличением ys・
Для учета этих отклонений используют коэффициен! формы обкладок
(3.31)(3.31)кцв.
(3.31)
(3.31)
Тогда относительную погрешность активной площади конденсатора при А£ = А8 можно определить по формуле
Ys=A£Ys=A£1十Кф1十КфУ不У不(3.32)(3.32)
Ys=A£
Ys=A£
1十Кф
1十Кф
У不
У不
(3.32)
(3.32)
Для обеспечения заданной точности емкости при изготовлении конденсатора необходимо, “т°6н выполпялось услсшнс
(3.33)(3.33)1 + Кф
(3.33)
(3.33)
A 乙一/《Ys10 1
了大2 "。"
гДе ys“ou — максимально допустимая относительная погрешность активной площади, которая может быть определена как
(3.34)(3.34)
(3.34)
(3.34)
Из выражения (3.33) следует, что при выбранном нз тополопн иескнх соображений значении коэффициента формы плошадь верхней обкладки
仙 \2 (1+/)2仙 \2 (1+/)2(3.35)(3.35)
仙 \2 (1+/)2
仙 \2 (1+/)2
(3.35)
(3.35)
Если равенство выполняется, то получаем выражение для удельной емкости:
(3.36)
В частном случае, когда К巾=1 (для обкладок квадратной фор- мы), приведенные выражения упрощаются:
2△勿広《у%。”，(3.37)
5》4汉/、&向)2,(3.38)
&)3=С&心£)]2.(3.39)
Порядок расчета
Выбирают материал диэлектрика по рабочему напряжению в соответствии с данными, приведенными в табл. 3.5. Чюбы конденсатор занимал как можно меньшую площадь, нужно выбирать материал с возможно более высокими диэлектрической проницаемостью, электрической прочностью, а также малыми значениями ТКС и tg 6.
Приведенное в габл. 3.5 значение удельно" емкости Со соответствует определенной толщине диэлектрика без учета точности изготовления конденсатора. '
Определяют минимальную толщину диэлектрика из условия электрической прочности (3.27). Толщина должна быть в пределах 0」-——1 мкм, в прогивном 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 мкм возможен разрыв верхней обкладки в месте вывода из-за большой ступеньки по юлихине пленки. Оптимальная толщина' диэлектрика 0,3—0,5 мкм.
Определяют удельную емкость конденсатора (пФ/см2), исходя из условия электрической прочности：
CQv=：Q^53l(J.(3.40)
Здесь d в см.
Оценивают по (3.29) относительную температурную погрешность.
Определяют по (3.34) допустимую погрешность активной площади конденсатора. Если ys доп^О, то это означает, что изготовление конденсатора с заданной точностью невозможно, нужно выбрать другой материал диэлектрика с меньшей температурной погрешностью. Уменьшить погрешность старения можно за счет дополнительной защиты микросхемы от влаги.
Определяют удельную емкость конденсатора с учетом точности его изготовления по (3.36), для обкладок квадратной формы — по (3.39) ； погрешность длины △厶 находят по табл. 3.15 для масочного метода.
Выбирают минимальное значение удельной емкости конденсатора, учитывая электрическую прочность и точность изготовления:
С° min {Срр, С()гочн}・(3.41)
Определяют коэффициент, учитывающий краевой эффект: 1； С/Со》5 мм2,
~ 1 1,3-О,О6С/Со; 1<С/С0<5 мм2.
Определяют площадь верхней обкладки：
S=C/C°K・(3.43)
Если площадь перекрытия обкладок меньше I мм2, необходимо взять др)/гой диэлектрик с меньшим значением % 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 е, либо уменьшить толщину диэлектрика d в возможных пределах, либо использовать в ГИС навесной конденсатор, удовлетворяющий исходным данным.
Определяют размеры верхней обкладки конденсатора. Для обкладок квадратной формы (К①=1)
£ = 8=厅(3.44)
Размеры L и В округли ют до значения, кратного шагу координатной сетки с учетом масштаба топологического чертежа.
Определяют размеры нижиеп обкладки конденсатора с учетом допусков на перекрытие (см. рис. 3.18, табл. 3.15):
* =民尸厶+2g，(3.45)
где 7——размер перекрытия пижнеи п версией обкладок конденсатора (см. табл. 3.15).
Вычисляют размеры диэлектрика:
丄д = & = £н+ 2/,(3.46)
где f — размер перекрытия нижней обкладки и диэлектрика (см. табл. 3.15). По танталовой технологии диэлектрик получают аподи-― рованнем Та, поэтому / = 0.
Определяют площадь, занимаемую конденсатором：
S『L/z(3.47)
Сначала проектируют обкладки конденсатора квадратной формы, а при отсутствии места на чертеже юполопш для расположения квадрата задаются одной из сторон конденсатора, коэффициентом формы обкладок и вычис^пяют размеры обкладок прямоугольной фермы.
Для проверки емкости в процессе или после изготовления микросхемы конденсатор необходимо снабдить специальными контактными площадкам и.
Если конденсатор шуитнрустс只 резистором и при этом полное сопротивление параллельного соединения замерить невозможно, то прн проектировании топологии указанные элементы рекомендуется выполнять незаш)7птировапными. В этом случае окончательное соединение производится навесным проводником после необходимых измерений.
Осуществляют проверку расчета.
Конденсатор спроектирован правильно, если：
рабочий тангенс угла диэлектрических потерь не превышает заданного:
tgja6 <tg§.(3.48)
Если пренебрзчь сопротивлением выводов обкладок, то рабочий тангенс угла можно представить в виде с)^ммы тангенсов углов потерь в диэлектрике tg^gq и в обкладках tg доб：
tg §раб = tg ^出 + tg 80б.(3.49)
Значение tg 6Диэл определяют по табл. 3.5 для выбранного материала диэлектрика.
Тангенс угла потерь в обкладках находят по формуле
9
tgS06~y ^обС,(3.50)
где Ro6 — сопротивление обкладок конденсатора, Ом; С — емкость конденсатора, Ф; о —угловая частота; со = 2^fmax (fmax — частота, Гц).
Сопротивление обкладок конденсатора зависит от его формы：
凡6= РзобКф,(3.51)
где psоб — удельное поверхностное сопротивление материала об- кладок (определяют по табл. 3.5);
рабочая папряжсипость электрического поля Ераб не превышает /?пг)материала диэлектрика:
々＞аб(3・52)
где e1总6 =ира6/",(3.53)
^/ = О,О885е/Со, см；(3.54)
погрешность активной площади конденсатора не превышает
допустимую:.
5m，(3・55)'
где \£раб определяют по (3.32), a ys доп — по (3.34).
Если один из п. а), б) или в) не выполнястся, 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 дпэлектрнк с одпна'ковой толщиной, а следовательно, одинаковой удельно!! емкостью С\). В противном случае для напыления пленки диэлектрика конденсаторов понадобятся различные маски, а возможно, и напылительные установки, что значительно усложнит технологический процесс.
площадь на(3.56)(3.57)площадь на(3.56)(3.57)Для нескольких конденсаторов па oahoii 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 подложке:
площадь на
(3.56)
(3.57)
площадь на
(3.56)
(3.57)
C，0inin = ^inln/^，miir
Окончательный выбор Со производят по формуле
。0 W^lliu { C*0nijn) CqV 3 ^0 точи I •
Вычисляют толщину диэлектрика, соответствующую удельной ем кости 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 иа одной подложке, изготовленных в едином технологическом цикле, при следующих исходных данных: емкость конденсаторов &=100 пФ, 5 = = 2500 пФ； допустимое отклонение емкости от номинала ус= 15%; рабочее на- пряжедие. ^Раб= 15 В; диапазон температур =—60+125° С; тангенс угла диэлектрических потерь па рабочей частоте tg 6 = 0,03; максимальная рабочая частота fmax=400 кГц; погрешность воспроизведения удельной емкости \с0 = 5%; погрешность старения усст = 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; £пр = 2-106 В/см； ТКС = 2-10~4 1/℃. Минимальную толщину диэлектрика dgin и удельную емкость &灯 для обеспечения необходимой электрической прочности находим по (3.27) и (3.40):
%亩仆=(3-15)/(2.1 )6)= 0,225-1 )-4 см,
Со и = 0,0885 不「= 0, ] 97 ・ 1 )5U,•1J +Со и = 0,0885 不「= 0, ] 97 ・ 1 )5U,•1J +пФпФСМ2СМ2-пФ197мм2-пФ197мм2
Со и = 0,0885 不「= 0, ] 97 ・ 1 )5
U,•1J +
Со и = 0,0885 不「= 0, ] 97 ・ 1 )5
U,•1J +
пФ
пФ
СМ2
СМ2
-пФ
197
мм2
-пФ
197
мм2
Температурная погрешность емкости в соответствии с (3.29) ус/ = 2- Ю~4Х X (125—20) -100 = 2,1%, а допустимая погрешность активной площади конденсатора согласно (3.34) у5д0п = 15—5— I —2,1 = 6,9%.
Минимальную удельную емкость для обеспечения точности изготовления наименьшего по номиналу конденсатора определяем по (3.39)：
им2
a AL = 0,0i мм (см. табл. 3.15).
емкость наименьшего по номи-емкость наименьшего по номи-Определяем, какова должна быть удельная
емкость наименьшего по номи-
емкость наименьшего по номи-
налу конденсатора с учетом технологических возможностей изготовления по площади перекрытия обкладок и толщине диэлектрика. Задаемся Smin= 1 мм2. Тогда по (3.56) *
4min= 103/1 = 1))ПФ/ММ2.
Таким образом, получены три значения удельной емкости:
Сор = 197 пФ/мм2； С0точн = 119) пФ/м«2； COinin=： 133 пФ/мм2.
Окончательно выбираем Со= 100 пФ/мм2.
Определяем, какая толщина диэлектрика соответствует выбранной удельной емкости Со по (3.54): с? = 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).寸…
Расчет конденсатора &
Отношение С[/Со= 100/100= 1 мм2. Коэффициент, учитывающий краевой эффект, Л= 1,3—0,06-1 = 1,24. Площадь перекрытия обкладок 1 • 1,24 = = 1,24 мм?； форма обкладок — перекрещивающиеся полоски (см. рис. 3.19) квадратной формы (/Сф= 1); размеры обкладок & =卅=/，,24= 1,11 мм;厶打= = 5И[ = 1J 1 мм, Ад1 = ^д] = 1,11 + 2-0,1 — 1,31 мм; площадь конденсатора по диэлектрику Sni= 1,72 мм2.
Проверку расчета производим по формулам (3.48) — (3.55), (3.34):
2
tg 8обкл1 ~ -2h-40J- 1 J3-0,2- 13J-10-12 = 0,90003;
tg 闻吟"=0,02 (по табл. 3.5),tg 5Раб1 = 0,02 + 0,933J3 <6,03;
£раб1 = 15/(0,44* IL4) — 0,34・ 106 В/см < 2・ 106 В/см;
YSpa6i = 0,01・2/j/i,24= 1,8% <6,9%.
Расиет конденсатора С2
Расчет конденсатора Q проводят аналогично.
3^KT°^^n^m^5^/iQ^?м2. Коэффициент, учитывающий краевой
巾巾，—'j отапь перекрытия обкладок S? = 25 мм?； форма обкладок при-
5」449
ведана на рис. 3.18； размеры обкладок конденсатора квадратной формы (Кф = =1): £2=82=!^*25 = 5 мм, Lh2=jBH2:= 5+2• 0,2 = 5,4 мм, £口2=8式2 = 5,4+2乂 ХОД =5,6 мм; площадь конденсатора по диэлектрику 5д2 = 5,62 = 31,36 мм2.
Проверка расчета:
2с
tgS06o2= —-2Л-400И03.0,2-25ЭЭ-10-12= 1,88・13一3,
tg 6раб2 = 0,02 + 0,0Э188 <0,03;
ера62= 15/(0,44・10-4) = 0,34，106<2"06 в/ем,
Yspa62 = 0,0Ь2/]/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.
Разработка топологии тонкопленочных ГИС
Разработку топологии рекомендуется проводить в такой последовательности: составление схемы соединения злементов на плате; расчет конструкций пленочных элементов; определение необходимой площади платы и согласование с типоразмером 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 уменьииення 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=K (S^+Sec + Sek + S^k), (3.58)
где К ——коэффициент запаса по площади, определяемый количеством элементов в схеме, их типом и сложностью связей между ними (для ориентировочных расчетов можно принимать К = 2+3); Ser, Sec, S2k—площади, занимаемые всеми резисторами, конден- саюрами, контактными площадками; 5工口.貫 ——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 134
защиты ГИС (см. § 5.2) и в случае использования корпусов — типоразмер корпуса. Рекомендуемые размеры плат: 20x24, 20Х 16, 15X16, 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: осем^электрическую принципиальную и схему соединения элементов; форму и геометрические размеры пленочных элементов и навесных компоненюв; 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-
полнении 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 конструк- тивно-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 н носит ннднвиду- альный 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 емкостиых и индуктивных связей.
Глава 4
КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫХ ГИС
Платы толстопленочных ГИС
Платы толстопленочных ГИС должны быть дешевыми, иметь
высокие механическую прочность, теплопроводность, термостойкость и химическую стойкость.
Наиболее подходящими материалами для плат толстопленочных ГИС являются высокоминоземпстая 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 се 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℃. 1
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 (микронеровность) 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. Толидина плат 0,6——1 мм.
Пасты для толстопленочных ГИС
Нанесение материала толстых пленок, в состав которых, как правило, вко工兄т 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-
先приМтние печати先приМтние печатиРис. 4.1. Схема процесса трафаретной печати бесконтактным способом:Рис. 4.1. Схема процесса трафаретной печати бесконтактным способом:Рис. 4.2. Зависимость ps паст от концентрации металлических порошков в стеклянной фриттеРис. 4.2. Зависимость ps паст от концентрации металлических порошков в стеклянной фритте
先приМтние печати
先приМтние печати
Рис. 4.1. Схема процесса трафаретной печати бесконтактным способом:
Рис. 4.1. Схема процесса трафаретной печати бесконтактным способом:
Рис. 4.2. Зависимость ps паст от концентрации металлических порошков в стеклянной фритте
Рис. 4.2. Зависимость ps паст от концентрации металлических порошков в стеклянной фритте
/ — ракель; 2 — паста: 3 — трафарет;4 — плата; 6 — 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 tg б, например керамика на основе ВаТЮз. Для меж- 138
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 i/з 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.
Таблица 4.1
Характеристики проводящих паст (ПП)
ОбозначениепастыТолщина слоя, мкмУдельное поверхностное сопротивление Р$, Ом/口， не болееПП-110—200,05ПП-215—205,0ПП-315—250,05ПП-415—250,05ОбозначениепастыТолщина слоя, мкмУдельное поверхностное сопротивление Р$, Ом/口， не болееПП-110—200,05ПП-215—205,0ПП-315—250,05ПП-415—250,05Область примененияОбласть примененияДля изготовления проводников, нижних обкладок конденсаторов и контактных площадок первого слоя с размерами сторон элементов не менее 0,2 ммДля изготовления верхних обкладок конденсаторов, не смачиваемых припоем при луженииДля изготовления проводников, нижних обкладок конденсаторов и контактных площадок под монтаж навесных компонентов с жесткими выводамиДля изготовления проводящих элементов, наносимых на слой диэлектрикаДля изготовления проводников, нижних обкладок конденсаторов и контактных площадок первого слоя с размерами сторон элементов не менее 0,2 ммДля изготовления верхних обкладок конденсаторов, не смачиваемых припоем при луженииДля изготовления проводников, нижних обкладок конденсаторов и контактных площадок под монтаж навесных компонентов с жесткими выводамиДля изготовления проводящих элементов, наносимых на слой диэлектрика
Обозначение
пасты
Толщина слоя, мкм
Удельное поверхностное сопротивление Р$, Ом/口， не более
ПП-1
10—20
0,05
ПП-2
15—20
5,0
ПП-3
15—25
0,05
ПП-4
15—25
0,05
Обозначение
пасты
Толщина слоя, мкм
Удельное поверхностное сопротивление Р$, Ом/口， не более
ПП-1
10—20
0,05
ПП-2
15—20
5,0
ПП-3
15—25
0,05
ПП-4
15—25
0,05
Область применения
Область применения
Для изготовления проводников, нижних обкладок конденсаторов и контактных площадок первого слоя с размерами сторон элементов не менее 0,2 мм
Для изготовления верхних обкладок конденсаторов, не смачиваемых припоем при лужении
Для изготовления проводников, нижних обкладок конденсаторов и контактных площадок под монтаж навесных компонентов с жесткими выводами
Для изготовления проводящих элементов, наносимых на слой диэлектрика
Для изготовления проводников, нижних обкладок конденсаторов и контактных площадок первого слоя с размерами сторон элементов не менее 0,2 мм
Для изготовления верхних обкладок конденсаторов, не смачиваемых припоем при лужении
Для изготовления проводников, нижних обкладок конденсаторов и контактных площадок под монтаж навесных компонентов с жесткими выводами
Для изготовления проводящих элементов, наносимых на слой диэлектрика
Т а б л и ц а 4.2
УДеЛЬНОе поверхностное сопротивление ps резистивных паст (ПР)
Обозначение
пасты
ПР-5
ПР-100
ПР-500
ПР-1к
ПР-Зк
ПР-бк
ПР-20к
ПР-50К
ПР-ЮОк
Удельное поверхностное сопротивление Ps, Ом/口
5
100
530
1000
ЗАО
,6))3
2J0g
5J0J3
иооээ
Таблица 4.3
Характеристики паст для диэлектрика конденсаторов (ПК) и межслойного диэлектрика (ПД)
Обозначение пасты
Толщина пленки, мкм
Удельная
емкость С。、 пФ/см2
Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте
1,5 МГн tg5 Х10—з
Область применения
ПК 1000-30
4)—6)
37))
3,5
Для диэлектрика конденсаторов, изоляции пересекающихся провод-
ников
ПК12 ПД-1
43—6]
6)—7)
1)0»
16)
3,5 2
Для диэлектрика конденсаторов Для межслойной изоляции при
нвух уровнях пленочных элемен-
тов
ПД-2
5 )—6 )
22)
3
Для межслойной изоляции при трех (и более) уровнях пленочных
элементов
пд-з
3)—5)
一
2
Для верхнего защитного слоя при использовании пасты ПД-1
ПД-4
3)—5)
一
3
Для верхнего защитного слоя прн использованни пастн Г1Д-2
Таблица 4.4
Основные параметры пассивных элементов толстопленочных ГИС
Элементы
Параметры
резисторы
конденсачбры
межслойная изоляция
Толщина пленки, мкм
15—2J
43-6) (диэлектрик)
3)—7J
Минимальный размер /ХЬ, мм Диапазон номиналов
0,8x0,8
25 Ом—
1 МОм
1X1
5)—25)) пф
—
Допустимое отклонение от номина
+ 2*
±15
一
ла, %
Температурный коэффициент со
士8-13-4
—
противления TKR, 1/℃, при Т = =—60+125。С
Максимальная допустимая }гдсль-
3)-8)
—
—
ная мощность рассеяния Ро, мВт/мм2 Температурный коэффициент ем
—
±3,5-13-4
3・1L
кости ТКС, 1/℃, при Т= —60+
+85。С
Напряжение пробоя Unpo6, В
—
15)
5))
* После лазерной подгонки.
§ 43 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 н 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 также короткие и широкие резисторы.
Рис. 4.3. Влияние ширины и длины резистора на толщину отпечатка (при /1</2,儿>方2)Рис. 4.3. Влияние ширины и длины резистора на толщину отпечатка (при /1</2,儿>方2)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.
Рис. 4.3. Влияние ширины и длины резистора на толщину отпечатка (при /1</2,儿>方2)
Рис. 4.3. Влияние ширины и длины резистора на толщину отпечатка (при /1</2,儿>方2)
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 термо- обработке ——сушке и вжиганию. Сушка необходима для удаления 113 пасты летучих компонентов (растворителя). Сушку проводят ПРИ температуре 80—150° С в течение 10—15 мин в установках с инфракрасным (ИК) 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 максималь- ной, 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 печп 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 g,700—750° С,^верхние обкладки конденсаторов — при 700—720° С,
7 диэлектрик ‘защитного слоя — при 620—650° С, резисторы ——при ?)600—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, нанесе- нне, сушка и вжигание nacibi 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:
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;
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;
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, ие превышающей 500° С во избежание изменения параметров резисюров. Толщина защитного диэлектрического слоя 30—60 мкм, сопротивление изоляции более Ю12 Ом при постоянном напряжении 100 В.
Если толстопленочная ГИС устанавливается в корпус, то защиту с использованием глазурования, как правило, не производят.
Сборка. После нанесения н вжР1гания всех слоев пассивной части схемы производят подгонку пленочных элементов, монтаж навесных компонентов, армирование (установку выводов) н герметизацию.
Рис. 4.4. Армирование плат выводами и контактными переходами:Рис. 4.4. Армирование плат выводами и контактными переходами:
Рис. 4.4. Армирование плат выводами и контактными переходами:
Рис. 4.4. Армирование плат выводами и контактными переходами:
Рис. 4.5. ТолстопленочныйРис. 4.5. Толстопленочныйрезистор после лазерной подгонки:резистор после лазерной подгонки:а — с участками грубой и точ-ной подгонки； б — с подгонкойпод углома — с участками грубой и точ-ной подгонки； б — с подгонкойпод углом
Рис. 4.5. Толстопленочный
Рис. 4.5. Толстопленочный
резистор после лазерной подгонки:
резистор после лазерной подгонки:
а — с участками грубой и точ-ной подгонки； б — с подгонкойпод углом
а — с участками грубой и точ-ной подгонки； б — с подгонкойпод углом
а■—установка вывода; б一расклепывание; 8 — 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—г) устанавливают перед подгонкойг
а рамочные выводы, соединенные между собой на общей рам^ке,--
на заключительном зтапе сборки перед герметизацией. После герметизации рам ку обрубают и выводы разъединяют.
Подгонка резисторов. В условиях массового производства отклонение от номи налов сопротивлений резисторов може^ достигать 50%, поэтому необходимо про-
изводить их подгонку. Подгонка толстопленочных резисторов и конденсаторов принципиально не отличается от тонко」 пленочных и производится изменением
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-
Рис. 4.6. Структурная схема технологического процесса изготовления толстопленочных ГИСРис. 4.6. Структурная схема технологического процесса изготовления толстопленочных ГИСРис. 4.7. Последовательность операций изготовления толстопленочной ГИСРис. 4.7. Последовательность операций изготовления толстопленочной ГИС
Рис. 4.6. Структурная схема технологического процесса изготовления толстопленочных ГИС
Рис. 4.6. Структурная схема технологического процесса изготовления толстопленочных ГИС
Рис. 4.7. Последовательность операций изготовления толстопленочной ГИС
Рис. 4.7. Последовательность операций изготовления толстопленочной ГИС
жигание резистивной пленки под углом (рис. 4.5, 6) 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-
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. Монтаж навесных компонентов производят теми же методами, что и для тонкопленочных ГИС (см. § 3.4). 144
Толстопленочные ГИС герметизируют в металлополимерные, металлокерамические, керамические и пластмассовые корпусы или залнвкой стеклоэмалью.
На рис. 4.6 приведена общая структурная схема технологического процесса изготовления толстопленочных ГИС. Вариант 1 используют для схем с проволочными выводами, герметизируемых в лшталлополимерные корпусы, а вариант 2 — для схем с рамочными выводами, герметизируемых в керамические, металлокерамические н 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.
После очистки и отжига платы на нее наносят и вжигают поочередно с обеих сторон проводящую naciy 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 облуживания 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, 0)> 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.
Разработка топологии толстопленочных ГИС
При разработке топологии учитывают особенности толстопленочной технологии, конструктивные и технологические ограниче* ния.
Последовательность разработки топологии аналогична последовательности, принятой для топкопленочных ГИС (см. гл. 3).
Особенности толстопленочной зехнологии. Пленочные элементы могут располагаться на обеих сторонах платы. Соединения меж- д^элементами, расположенными на разных сторонах платы, осуществляют через отверстия или внешние контактные площадки, (рис. 4.8, о, б). Суммарная площадь элементов в одном уровне не должна превышать 70% площади рабочей стороны платы.
4丿刃7；6)4丿刃7；6)Рис. 4.9. Конструкции перемычек при однослойной разводке .толстопленочных ГИС;Рис. 4.9. Конструкции перемычек при однослойной разводке .толстопленочных ГИС;Рис. 4.8. Контактные переходы для соединения элементов, расположенных на разных сторонах платы:а — через отверстие в плате;6 — через боковую поверхность платыРис. 4.8. Контактные переходы для соединения элементов, расположенных на разных сторонах платы:а — через отверстие в плате;6 — через боковую поверхность платыа — проволочные; 6 —. пленочныеа — проволочные; 6 —. пленочные
4丿刃7；6)
4丿刃7；6)
Рис. 4.9. Конструкции перемычек при однослойной разводке .толстопленочных ГИС;
Рис. 4.9. Конструкции перемычек при однослойной разводке .толстопленочных ГИС;
Рис. 4.8. Контактные переходы для соединения элементов, расположенных на разных сторонах платы:
а — через отверстие в плате;
6 — через боковую поверхность платы
Рис. 4.8. Контактные переходы для соединения элементов, расположенных на разных сторонах платы:
а — через отверстие в плате;
6 — через боковую поверхность платы
а — проволочные; 6 —. пленочные
а — проволочные; 6 —. 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, о, 6).
Проволочные перемычки используют в случае навесных компонентов с гибкими выводами, а пленочные — с жесткими выводами. При этом размеры контактных площадок пленочных перемычек 146
должны быть на 0,2 мм больше ширины перемычки (рис. 4.9, 6) 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 диаметр? 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 выводовРис. 4.10. Варианты конструктивного выполнения внешних контактных площадок и выводоврезистивными или диэлектрическими
Рис. 4.10. Варианты конструктивного выполнения внешних контактных площадок и выводов
Рис. 4.10. Варианты конструктивного выполнения внешних контактных площадок и выводов
Рис. 4.11. Технологиче- ский знак и место установки навесного компонента с гибкими^ выводами (/ — технологический знак; 2 ——место установки)Рис. 4.11. Технологиче- ский знак и место установки навесного компонента с гибкими^ выводами (/ — технологический знак; 2 ——место установки)Рис. 4.12. Конструкция контактных площадок для монтажа навесных конденсаторовРис. 4.12. Конструкция контактных площадок для монтажа навесных конденсаторовпастами (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. Технологиче- ский знак и место установки навесного компонента с гибкими^ выводами (/ — технологический знак; 2 ——место установки)
Рис. 4.11. Технологиче- ский знак и место установки навесного компонента с гибкими^ выводами (/ — технологический знак; 2 ——место установки)
Рис. 4.12. Конструкция контактных площадок для монтажа навесных конденсаторов
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 расположепию 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:
/》8тах + °，4 ММ,
£i=£gin — 0,2 мм,(4.1)
厶 + 28》厶пах +。，4 ММ,г
где Lmim Lmax ——минимальная и максимальная длина конденсатора; Втах ——максимальная ширина конденсатора； 8, / ——ширина и длина контактных площадок;厶i ——расстояние между контактными площадками.
Для уменьшения толщины слоя припоя контактные площадки для монтажа навесных конденсаторов допускается выполнять с прорезями шириной / не более 0,2 мм (рис. 4.12). Минимальное расстояние между прорезями d = 0,5 мм. Минимальное расстояние от края контактной площадки до прорези 仇=0,2 мм.
Резисторы. Максимальное число резистивных слоев ма 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 пла1ы. 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 нпжнюю или верхнюю обкладку.
Основные конструктивно-технологические ограничения для толстопленочных ГИС приведены в табл. 4.5.
Разработка эскиза топологии. Зскиз 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.
Содержание ограничения
Величина огра ничения, мм
Точность изготовления линейных размеров пленочных элементов и расстояний между ними А/, АЬ, Да при расположении пленочных элементов в одном слое:
для пасты ПП-3
для остальных паст
±0,05 ±0,1
Минимальный размер резистора /?mtnX/min
0,8 X 0,8
Максимальное отклонение сопротивления от номинала:
до подгонки
после лазерной подгонки
-50% ±2%
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
0,2
0,05
0,1
0,3
Минимальное расстояние с между пленочными элементами, расположенными в разных слоях
0,4
Перекрытия е для совмещения пленочных элементов, расположенных в разных слоях
0,1
Минимальные расстояния от края платы до: пленочного элемента d края отверстия / края навесного компонента q
0,1
0,5
1,0
Минимальные размеры контактных площадок для монтажа навесных компонентов с шариковыми или столбиковыми выводами:
п
0,2
0,1
Конструктивно-технологические ограничения при проектировании толстопленочных ГИС
Элемент топологии
Продолжение табл. 4.5
I Элемент топологии
Содержание ограничения
Величина Ог-раничения
Минимальные расстояния：。
между краями диэлектрика и нижней об
0,2
кладки /。
между краями нижней и верхней обкладок Р
0,3
между краем диэлектрика и проводником в месте вывода верхней обкладки 々
0,4
Минимальная площадь перекрытия обкладок конденсатора LxB
1QXL0
Максимальное отклонение емкости конденсатора от номинала, %
±15
Минимальная ширина проводников с 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 0,4 к нему гибких выводов о
при ручном монтаже: для одного вывода
0,3X0,4
для двух выводов
0,4 X 0,7
для трех -выводов
0,4X1,0
при автоматизированном монтаже:
для одного вывода
0,6 X 0,6
для двух выводов
0,6 X 0,9
для трех выводов
0,6 XI ,2
Минимальные размеры контактных площа-
0,4 X 0,4
Минимальные размеры контактных площадок aXb для монтажа активных компонентов с гибкими выводами и проволочных перемычек методом пайки:
док для контроля
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 £
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.
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.
РезР1сторы 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 欠力,кОм; мощность рассеяния Рн мВт; относительная погрешность изготовления резисторов до подгонки ун, % (см. табл. 4.5); максимально допускимая удельная мощность рассеяния резистивной пленки Р。， мВт/мм2; минимальные размеры резистора ЬтщХ/тш^0,8х0,8 мм; шаг координатной сетки, мм.
Порядок расувта
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).
Для каждой гр)шпы определяют оптимальное значение удельного сопротивления резистивной пасты psom：
где п — количество резисторов.
По рассчитанному значению pSo^ -выбирают согласно табл. 4.2 пасту с удельным сопротивлением р5, ближайшим к pSonT<
Определяют коэффициент формы резистора:
К e=R[Qs・(4・3)
Для Кф^：1 определяют геометрические размеры резистора: ширину 6 и длину
Ширина резистора прямоугольной формы Ьрасч должна быть
не меньше наибольшего значения одной из двух величин ЬР и 匕丁稣広 ^расч>тах {Ьр, бтех”}，(44)
где &тсхц ——минимальная ширина резистора, обусловленная возможностями толстоплепочной технологии；匕техн = 0,8 мм (см. табл. 4.5).
Ширина резистора пз условия выделения заданной мощности bp~>V(KpP”AKm(4.5)
где Кр — коэффициент запаса мощности, учитывающий подгонку резистора：
Kp=1 + Yk/50.(4.6)
При ун = 50% Кр = 2.
Расчетная длина резистора
/расч браснКф*(4・7)
Расчетные значения 6pacq и /раСч корректируют. За длнну / и ширину b резистора принимают значения, ближайшие к расчетным в -сторону уменьшения сопротивления резистора 凡，кратные шагу или половине шага координатной сетки с учетом масштаба чертежа топологии. Например, если шаг координатной сеткн 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 / в зависимости от ширины b из графиков рис. 4.13, а——ж находят исправленное значение длины резистора /Испр с учетом растекания паст.
Для резисторов, имеющих K^V 1, расчет начинают с определения длины по аналогии с приведенными формулами:
/pacq》"П13Х {Zp, "техн}，
/р》，(ЗКф)/а,(4.8)
/техн=0,8 мм (см. табл. 4.5),брасч^^/расч/Кф，
Длина резистора с учетом перекрытия с контактными площадками
/по；н ^^'нспр+2仇(4.9)
где с ——минимальный размер перекрытия, определяемый по табл. 4.5. Обычно значение е берут равным ширине проводника.
Площадь резистора
S=/noa1A(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 152
«лощади незначителен или размеры платы достаточны, то целесообразно остановиться на меньшем числе паст. При зтом 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).
””””ПР-JOOПР-JOO5J5JJ 4 1,мм5)J 4 1,мм5)длин резисторов для учета растека- пастдлин резисторов для учета растека- пастРис. 4.13. Графики корректировки нияРис. 4.13. Графики корректировки ния
””
””
ПР-JOO
ПР-JOO
5J
5J
J 4 1,мм
5)
J 4 1,мм
5)
длин резисторов для учета растека- паст
длин резисторов для учета растека- паст
Рис. 4.13. Графики корректировки ния
Рис. 4.13. Графики корректировки ния
Расчет толстопленочных конденсаторов. Исходные данные для расчета： емкость конденсатора С, пФ; относительная погрешность изготовления конденсатора ус, %； рабочее напряжение %б, В; технологические ограничения (см. табл. 4.5).
Расчет конденсаторов на точность не проводят. Если точность изготовления конденсатора задана выше 15%, необходимо предусмот- реть участок подгонки на верхней обкладке.
Порядок расчета
В зависимости от диапазона номинальных значении выбирают диэлек1рпческую пасту по табл. 4.3. Пасты для нижней и верхней обкладок выбирают в соответствии с табл. 4.1.
Определяют площадь верхней обкладки конденсатора：
S=C/CG.(4.11)
Рассчитывают геометрические размеры верхней обкладки конденсатора. Для обкладок квадратной формы
L = B= /S.(4.12)
Вычисляют геометрические размеры нижней обкладки конденсатора:
£н = &=£ + 2 夕；(4.13)
где р — перекрытие между нижней и * верхней обкладками (см. табл. 4.5).
Определяют теометрические размеры диэлектрика:
£д=统=厶 + 2/,. (4.14)
где f——перекрытие между нижней обкладкой и диэлектриком (см. табл. 4.5).
Вычисляют площадь, занимаемую конденсатором на плате:
S又=厶当.(4.15)
Если 'квадратная форма обкладок конденсаторов по каким-либо причинам неудобна, конструируют обкладки прямоугольной формы, задавшись одним из размеров верхней обкладки, А 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
Технические условия на ИМС
Технические условия (ТУ) на ИМС 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 зксплуата- инн в режимах и условиях, допускаемых в технической документа- цнн на ПМС конкретных типов, должны соответствовать установленным в ней нормам. Согласно ГОСТ 17230—71, предпочтительным является следующий ряд номинальных значений напряжения пнта- »ия :ИМС: 1,2; 2,4； 3,0； 4,0； 5,2； 6,0; 9,0； 12,0;'15,0; 24,0; 30,0； 48,0; 100; 150; 200 В.
Требования к конструкции. Габаритные и присоединительные размеры, внешний вид и масса ИМС должны соответствовать требо- ваниям, установленным в технической документации на ИМС конкретных типов. Бескорпусные ИМС должны быть стойкими к про- иессу сборки. Выводы ИМС должны выдерживать растягивающие усилия и изгибы, легко паяться и свариваться.
Треоования к устойчивости при механических воздействиях. НА1С должны сохранять параметры в пределах норм, установлен-
ш+х технической документацией в соответствии с rjoynnoii 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 длительно- стью 2—6 мс с ускорением 75—150 g, линейных (цептробежных) нагрузок с максимальным ускорением 25—2000 g.
Требования к устойчиьости при климатических воздействиях. ММС должны сохранять параметры в пределах норм, установлен- Hbix технической документацией, в процессе и после воздействия на ннх следующих климатических факторов: температуры воздуха с верхними значениями +55, +70, +85, +100, +125, + 155℃ и ниж- ними значения'ми —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 ИМ С) 98% при температуре 35° С. ИМ С 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 мепсе 15 000 ч.
Интенсивность отказов ИМС в режимах и условиях работы, соответствующих ТУ, не должна превышать 3,7-10~5 ч-1 для ИМС> г*ервой 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 PIMC в бескор- пусном исполнении, размещенных в негерметичной упаковке в цехо- вых 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 — нб 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 PIAAC в режимах и условиях, оговоренных в технической документации.
Упаковка. Каждая бескорпуспая ИМС должна быть упакована в индивидуальную тару, защнтаюгцую 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 1：к повреждения и деформацию выводов, и уложены в картонные коробки, куда вкладывают паспорт.
Конструктивные меры защиты ИМС
от воздействия дестабилизирующих факторов
Основным способом защиты ИЛ^С от воздействия дестабилизи* рующих факторов (температуры, влажности, солнечной радиации, льтли, 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 нанесенном защитных материалов непосредственно на поверхность ИМС.
В настоящее время разработка полу проводи и ковых ИМС в кор・ ттусах, как правило, сопровождается разработкой их аналогов в бес- корпусном варианте. Бескорпусные полупроводниковые, а также гибридные ИМС разрабатывают для эксплуатации в составе ячеек л блоков микроэлектронной аппаратуры, которые подвергают общей герметизации. /
Герметизация с использованием корпусов. Корп)гсы ИМС класси* фицируют по фор?ле 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) н 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 ПМС подразделяют на стеклянные, керамические, пластмассовые, металлостеклянные, металлокерамические, металлополимерные, стеклокерамические и др. Констр)^кции 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.
Рн& 5.1. Конструкции корпусов }™а 1 подтипов 11(a), 12(6), 14(8)с вариантами конструкций выводов
Рнс. 52 Конструкции корпусов типа 2 под- типов 21(a) и 22(6) с вариантами формовки и конструкций выводов
Рнс. 53 Конструкции корпусов типа 3 подтипов 31(a) и 32(6) с выводами круглого сечения
必
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
Перпендик}глярное, 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
Таблица 5.1
Типы корпусов ИМС по ГОСТ 17467—79
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. Метальчическое 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,
^Yd:
I~［口口口口П口 口
5)
Рнс. 5.4. Конструкции корпусов типа 4 подтипа 41 с двумя вариантами формовки выводов прямоугольного сечения (й) и подтипа 42 (6)
，，e出口出
Рис. 5.5. Конструкциям корпуса типа 5
犷应＞/应?疡е、4窈関"
,24/ ,
Монтажная площадка
Ключ
56 Конструкция металлокерамического корпуса 2103 (201.8-1)
Рис. 5.7. Конструкция керамического корпуса 2103 (201.16-13, 201.16-15)
Условное обозначение корпуса
Вариант исполнения
Масса, г, не более
Размер монтажной ； п.ющадкн, мм
Метод крепления кристалла в корпусе
эвтектическая пайка
посадка на клей
2103(201.8-1)
мк
1,8
5,ОХ 3,0
+
2102(201.14-10)
мк
1,55
5,6X3,0
2103(201.16-8)
к
1,6
5,0X3,0
+
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
+
2120(210.6.24-1)
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
5,3 X 3, /
2205(244.48-1 1)
к
5,0
0 8,0
2204(249.42-1)
к
4,15
6,2 X 6,2
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
—
Таблица 5.2
Конструктивно-технологические характеристики корпусов типа 2 для герметизации полупроводниковых ИМ С
Примечания: 1) К, МК— керамические и металлокерамические корпусы; 2) метод используется ( + ) и не используется (——)；3) корпусы герметизируют методом шовной контактной сварки; герметичность корпусов 5-10-5 л-мкм/с.
Рис. 5.8, Конструкция металлостеклянного корпуса 3104(302.8-1)Рис. 5.8, Конструкция металлостеклянного корпуса 3104(302.8-1)
Рис. 5.8, Конструкция металлостеклянного корпуса 3104(302.8-1)
Рис. 5.8, Конструкция металлостеклянного корпуса 3104(302.8-1)
При отсутствии золочения монтажной площадки для монтажа ИМС в корпус применяют не эвтектическую пайку, а используют клей холодного 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 iKopnyca. Керамические корпусы изготовляют из нескольких (двух-трех) слоев керамики, на которые наносят методами толстопленочной технологии проводящие дорожки и (контактные площадки внутри и снаружи- корпуса. После прессования многослойной структуры осуществляют обжиг, в результате которого формируется монолитное тело керамического 'корпуса с встроенньши 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 криста几八одерз^ател兄аш. 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
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℃, Вt
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
23,0 2),0 20,0
3,0 3,8 3,0 8,0 8,0 8,0
+ + +
0,4
0,5
3,5
5,0
6,1-Ю-6 6,1-10-6 6,1-10-е 5-Ю-5 5-1О-5 5-10-5
JZ
20—-0 yNA74R
Ключ
Рнс. 5.10. Конструкцня стеклянногокорпуса 4105(401.14-3)
Рнс. 5.11. Конструкция металлостек-лянного корпуса 4105(401.14-4)
§95^6园营之
Монтажнйй площадка
Рис. 5,12. Конструкции
2&5-“5
Рис. 5.13. Конструкция металлокерамического корпуса 4122.40-2
керамических корпусов
4118.24-4
4Н8.24/, 4118.24-2, 4118.24-3,
Ус.ювное обозначение корпуса
Вариант исполнения
Масса, г, не босее
Размерн монтажной площадки,
Л1 tf
Метод крепления кристалла в корпусе
эптекгичес- кая пайка
посадка на клей
4105(401.14-3)
0,35
4,9Х2.О
+
4105(401.14-4)
МС
0,35
4.9Х2.0
+
+
4105(401.14-5)
мс
0,6
4,9X2,0
+
41 12(402.16-21)
1,6
5,1X3,1
+
+
4112(402.16-23)
1,6
5,1X3,1
—
+
Таблица 5.4
Конструктивно-технологические характеристики корпусов типа 4 для герметизации полупроводниковых ИМС
^2S-InuIUI-EW z-nxElnq)
■G-I 二 ww GONHEmw ・ww 寸 nUXE8SJ"二(NN EUUItnwN GnNxma) (g「Imoal HOUAUdoH XNH•KK5SHOO§raH^^ s-5^^&oao^ ..9 ・DHd
(NW g'EHUWIq £sEnxBUIT) ^.^--s- ^35 9" = еппт 寸 UXB 日T) (gIgEON1HoUAUdox XNH —HBITHDIDOITFEIBHHZAdlDHOy ・9g gd
Условное обозначение корпуса
Вариант нсколнепня
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」
+
+
4112(402.16-32)
к
1,0
4,0X3,2
+
—
4112(402.16-33)
к
1,0
4,0X32
—
十
4118(405.24-2)
к
1,6
7,5X5,0
+
十
4118(405.24-4)
к 、
1,51
7.5Х5.0
+
-Г
4134(413.48-1)
мс
2,2
0 8,0
+
—
4116(427.18-2)
мк
1,6
7,2X6,2
—
+
4151 (429.42-1)
к
4,0
6,2X6,2
+
——
4151(429.42-3)
к
4,0
6,2X6,2
—
十
4151(429.42-5)
к
4,0
7,0X7,2
+
—
4151 (429.42-6)
к -
4,0
7,0X7,2
—
4202(460.24-1)
мс
1,9
0 80
十
—
4112.16-1
к
1,1
5,5X4,5
+
4112.16-2
к
1,1
5,5X4,5
+
—
4112.16-3
к
1,16
5,5X4,5
+
4117.22-2
мк
2,0
7,2Х6?2
—
4118.24-1,3
к
1,9
5,0X5,0
+
4118.24-2,4
к
1,9
5,0Х5,0
—
4119.28-2
мк
2,2
5,0X5,0
—
4122.40-2
мк
3,0
6,0X5,0
—
413L24-2
мк
2,9
10,7X8,3
4138.42-2
мк
4,8
10,7X8,3
Продолжение табл, 5.4
Примечания: 1) С, К, МС, М1\ — соответственно стеклянные, керамические, ме- таллостекляиные, металлокерамические корпусы; 2) герметичность корпусов 4134.48-1 и 4202.24-1 ~ 1 • 10-5 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.
〉9
h£Lf工
Рис. 5.14. Конструкция пластмассового корпуса 2102(201.14-1)
Рис. 5.19. Конструкция металл。- стеклянного корпуса 1207 (155.15-1)'Рис. 5.19. Конструкция металл。- стеклянного корпуса 1207 (155.15-1)'Рис. 5.18. Конструкция металлостеклянного корпуса 1206 (153.15-1)Рис. 5.18. Конструкция металлостеклянного корпуса 1206 (153.15-1)корпуса 1210корпуса 1210Рнс. 5.20. Конструкция металлостеклянного (157.29-1)Рнс. 5.20. Конструкция металлостеклянного (157.29-1)
Рис. 5.19. Конструкция металл。- стеклянного корпуса 1207 (155.15-1)'
Рис. 5.19. Конструкция металл。- стеклянного корпуса 1207 (155.15-1)'
Рис. 5.18. Конструкция металлостеклянного корпуса 1206 (153.15-1)
Рис. 5.18. Конструкция металлостеклянного корпуса 1206 (153.15-1)
корпуса 1210
корпуса 1210
Рнс. 5.20. Конструкция металлостеклянного (157.29-1)
Рнс. 5.20. Конструкция металлостеклянного (157.29-1)
сравпспню с частотным пределом той же ИМС, размешенной в Другом корпусе. З'нрощаются технологические нропесса установки "сборки крпсталлодсржателей в мнкросборкнх и на печатных ила- тнх, ремонтоврпгодиость аппаратуры за счет ^'прощения процесса смеши (перепайки) мпкрокорпусов.
Наиболее дешевой п доступной является копе т р у к ц п я пластмассового к о р п у с а (рис. 5.14). Низкая стоимость
у6—449у6—449пластмассового корпуса определяется: дешевизной применяемого материала и технологии изготовления корпуса, в которой операцип формирования монолитного 〔корпуса и герметизации ИА\С совмещены; возможностью автоматизации сборки с использованием плоских выводов в виде рамок; возможностью осуществления групповой технологии герметизации, нанриг^ер литьевого прессования с помощью многоместных прессформ или метода заливки эпоксидным ком- nayu/LOM в мпогоместные литьевые формы.
у6—449
у6—449
Рис. 5.21. Конструкция металлополи- мерного корпуса «Тропа»Рис. 5.21. Конструкция металлополи- мерного корпуса «Тропа»ту незадействованные выводыту незадействованные выводы
Рис. 5.21. Конструкция металлополи- мерного корпуса «Тропа»
Рис. 5.21. Конструкция металлополи- мерного корпуса «Тропа»
ту незадействованные выводы
ту незадействованные выводы
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 аппа-
/ 4 ратуры, для которой данная ИМС
предназначена, и треоованиями 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 толщине (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, вьн по^ц^нные маркировкой.
Допускается применять корпусы с большим, чем это необходимо по схеме, числом выводов. При установке ИМС на печатную пла- аляют, но нумерацию выводов со
храняют.
Бескорпусная герметизация. Начальным этапом герметизации, как бескорпусной, так и с использованием корпусов, часто является
пассивация поверхности кристалла полупроводниковых ИМС и предварительная защита поверхности гибридных ИМС. Для этого в полупроводниковой технологии используют пленки SiOg, 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-
151516 выводов 0,45^16 выводов 0,45^гг26,2t 题26,2t 题
15
15
16 выводов 0,45^
16 выводов 0,45^
г
г
26,2t 题
26,2t 题
Рис. 5.22. Конструкция металлополимерного корпуса «Пенал»
сообразно применять химически чистые н 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 SiO2, 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 ИМ С — кремнийорганиче-
6*171
Рис. 5.23. Конструкция металлополимерного корпуса «Акция»Рис. 5.23. Конструкция металлополимерного корпуса «Акция»15151616Z IVZ IVпп■0I—— * R■0I—— * Rа)а)Рис. 5.24. Конструкции бескорпусных полупроводниковых ИМС и способы их установки на плату:а — ИМС серии БК734 с гибкими вывода» ми; б — ИМС серии БК776 с жесткимк выводамиРис. 5.24. Конструкции бескорпусных полупроводниковых ИМС и способы их установки на плату:а — ИМС серии БК734 с гибкими вывода» ми; б — ИМС серии БК776 с жесткимк выводамиа оба об,夕" 步 " 勿 勿〃\,夕" 步 " 勿 勿〃\ВйЖйВйЖй
Рис. 5.23. Конструкция металлополимерного корпуса «Акция»
Рис. 5.23. Конструкция металлополимерного корпуса «Акция»
15
15
16
16
Z IV
Z IV
п
п
■0
I—— * R
■0
I—— * R
а)
а)
Рис. 5.24. Конструкции бескорпусных полупроводниковых ИМС и способы их установки на плату:
а — ИМС серии БК734 с гибкими вывода» ми; б — ИМС серии БК776 с жесткимк выводами
Рис. 5.24. Конструкции бескорпусных полупроводниковых ИМС и способы их установки на плату:
а — ИМС серии БК734 с гибкими вывода» ми; б — ИМС серии БК776 с жесткимк выводами
а об
а об
,夕" 步 " 勿 勿〃\
,夕" 步 " 勿 勿〃\
ВйЖй
ВйЖй
Условное обозначение 重 корпусаI;^Вариант исполиенняМасса, г, не болееРазмеры монтажной площадки, ммМощность рассеяния при температуре 20℃, ВтМетод герметиза« ции корпуса1203(151.14-2,3)МС1,615,6X6,23,2КС1203(151.15-1)МС2,017,0X8,31,6 -АДС1203(151.15-2,3)МС1,615,6X6,2з.зКС,АДС1203(151.15-4,5,6)МС14,0X6,23,2КС1226(153.15-1)МС17,0X15,32,0АДС1207(155.15-1)МС16,8X22,52,5КС1210(157.29-1)МС34,0X20,04,6лс<Тропа>МП8,1Х8,10,7ЗК<Пенал>МП20,1X8,1、0,6ЗК«Акция»МП16,1X10,10,5ЗКУсловное обозначение 重 корпусаI;^Вариант исполиенняМасса, г, не болееРазмеры монтажной площадки, ммМощность рассеяния при температуре 20℃, ВтМетод герметиза« ции корпуса1203(151.14-2,3)МС1,615,6X6,23,2КС1203(151.15-1)МС2,017,0X8,31,6 -АДС1203(151.15-2,3)МС1,615,6X6,2з.зКС,АДС1203(151.15-4,5,6)МС14,0X6,23,2КС1226(153.15-1)МС17,0X15,32,0АДС1207(155.15-1)МС16,8X22,52,5КС1210(157.29-1)МС34,0X20,04,6лс<Тропа>МП8,1Х8,10,7ЗК<Пенал>МП20,1X8,1、0,6ЗК«Акция»МП16,1X10,10,5ЗКТаблица 5.5Таблица 5.5Конструктивно-технологические характеристики корпусов для герметнзацнм гибридннх НМСКонструктивно-технологические характеристики корпусов для герметнзацнм гибридннх НМСПримечания: 1) МС н МП *- металлостекляииые и металлополнмерные корпусы; 2) для посадки платы в корпус используют клей холодного отверждения; 3) КС, АДС, Л С, ЗК — коидеисаториая, аргонодуговая, лазерная сварка и заливка компаундом соответ* ственно. Примечания: 1) МС н МП *- металлостекляииые и металлополнмерные корпусы; 2) для посадки платы в корпус используют клей холодного отверждения; 3) КС, АДС, Л С, ЗК — коидеисаториая, аргонодуговая, лазерная сварка и заливка компаундом соответ* ственно. 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);
Условное обозначение 重 корпуса
I
;^Вариант исполиення
Масса, г, не более
Размеры монтажной площадки, мм
Мощность рассеяния при температуре 20℃, Вт
Метод герметиза« ции 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
з.з
КС,
АДС
1203(151.15-4,5,6)
МС
14,0X6,2
3,2
КС
1226(153.15-1)
МС
17,0X15,3
2,0
АДС
1207(155.15-1)
МС
16,8X22,5
2,5
КС
1210(157.29-1)
МС
34,0X20,0
4,6
лс
<Тропа>
МП
8,1Х8,1
0,7
ЗК
<Пенал>
МП
20,1X8,1、
0,6
ЗК
«Акция»
МП
16,1X10,1
0,5
ЗК
Условное обозначение 重 корпуса
I
;^Вариант исполиення
Масса, г, не более
Размеры монтажной площадки, мм
Мощность рассеяния при температуре 20℃, Вт
Метод герметиза« ции 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
з.з
КС,
АДС
1203(151.15-4,5,6)
МС
14,0X6,2
3,2
КС
1226(153.15-1)
МС
17,0X15,3
2,0
АДС
1207(155.15-1)
МС
16,8X22,5
2,5
КС
1210(157.29-1)
МС
34,0X20,0
4,6
лс
<Тропа>
МП
8,1Х8,1
0,7
ЗК
<Пенал>
МП
20,1X8,1、
0,6
ЗК
«Акция»
МП
16,1X10,1
0,5
ЗК
Таблица 5.5
Таблица 5.5
Конструктивно-технологические характеристики корпусов для герметнзацнм гибридннх НМС
Конструктивно-технологические характеристики корпусов для герметнзацнм гибридннх НМС
Примечания: 1) МС н МП *- металлостекляииые и металлополнмерные корпусы; 2) для посадки платы в корпус используют клей холодного отверждения; 3) КС, АДС, Л С, ЗК — коидеисаториая, аргонодуговая, лазерная сварка и заливка компаундом соответ* ственно.
Примечания: 1) МС н МП *- металлостекляииые и металлополнмерные корпусы; 2) для посадки платы в корпус используют клей холодного отверждения; 3) КС, АДС, Л С, ЗК — коидеисаториая, аргонодуговая, лазерная сварка и заливка компаундом соответ* ственно.
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 ИМ С имеют прямоугольную или квадратную форму (рис. 5.24, о, 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 6ь1ть 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 элемен- тов и выравниванию температуры платы ГИС или кристаллов полупроводниковых ИМС.
Введем следующие понятия, необходимые для осуществления тепловых расчетов.
Перегрев ■ элемента или компонента ИМ С (0, ℃), — разность Между их температурой и средней температурой поверхности корпуса. Максимально допустимая температура Тщахдоп — максимальная температура элемента или компонента ИМС, при которой обеспечиваются требования к их надежности. Удельная мощность рассеяния (尸о, Вт/℃)——плотность теплового потока от элемента ИМС, кристалла или платы ИМС. Внутреннее тепловое сопротивление элемента, кристалла или компонента ИМС (Rt 皿 ℃/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:Рис. 5.25. Тепловой поток от источника теплоты при различных соотношениях между размерами тепловыделяющих элементов и толщиной подложки:
Рис. 5.25. Тепловой поток от источника теплоты при различных соотношениях между размерами тепловыделяющих элементов и толщиной подложки:
Рис. 5.25. Тепловой поток от источника теплоты при различных соотношениях между размерами тепловыделяющих элементов и толщиной подложки:
/ — 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 /, b》/z тепловой поток плоскопараллелен и тепловое сопротивление
(5.1)
где RT ——тепловое сопротивление; Хп и 九^ — коэффициенты теплопроводности материала подложки и клея, Вт/(м-℃); "п и /гк — их толщины； b и I ——размеры контакта тепловыделяющего элемента с подложкой; h = hn + hK,
(5.2)(5.2)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(д, г):
(5.2)
(5.2)
аГЗфф = &? (9，尸),
где q = Z/2/z, r==b/2ht I и b ——линейные размеры плоского источника теплоты.
Для корпусов, представленных на рис. 5.6—5.13, 5.15—5.20, значения функции у(7, г) даны на рис. 5.26.
0 со 002 的3 4% 4佑 48 4制 7
Z
1
в
经務
电
參片 纟@38
1
■
?
J4
參
й
9JS
參@3
绿1
2丿
Рис. 5.26. Значения функции у (g, г)：
а — при g=o+o,I； б — при (?=0Д+0,41 в — при д=0,4+1,0; г — при д=1,0 + 4,0
Зная значения Rt или Rt эфф для каждого элемента ИМС, легко (Рассчитать перегрев элементов за счет рассеиваемой мощности Р^
色^a&Т也^)。(5.3)
Температура элемента
Ts=Tk + 9s,北=北 + 九 + 丸,(5.4)
где 7\ ——температура окружающей среды; 0К ——перегрев корпуса относительно температуры окружающей среды.
В навесных, дискретных компонентах наиболее чувствительны к перегреву области р-л-переходов. Их перегрев относительно подложки определяется выражением
®bh = RtbhR.(5.5)
Для навесного полупроводникового компонента'
Тнк=7с + ®к+®з + ®вн・(5.6) I
Перегрев корпусов 0К определяется конструкцией корпуса и мощностью рассеяния помещенных в него кристалла или платы 1 ИМС, особенностями монтажа ИМС в составе микроэлектронного Узла или блока, способом охлаждения. Тепловое сопротивление корпуса
Ак=1/(а5тУ,(5.7)>
где а — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-℃); St — площадь теплового контакта корпуса с теплоотводом.
При охлаждении путем естественной конвекции а = 5+20, при обдуве а = 20+100, при теплоотводе кондукцией через тонкий (0,1 мм) воздушный промежуток а«3-102, при теплоотводе кондук- I цией через слой эпоксидного клея толщиной 0,1 мм а = 3- 102ч-3-103, при металлическом теплоотводе а= 1044-105.i
Перегрев корпуса 0К можно оценить по формуле
^Р^,(5.8)
где Ре—- суммарная мощность, рассеиваемая ИМС.
Формула (5.4) не учитывает перегрева за счет взаимного влия- ния тепловыделяющих элементов, обусловленного наложением теп- ' ловых потоков всех источников теплоты, содержащихся в ИМС. Однако этот фоновый перегрев частично учитывается значением 0К-
Приведенные формулы справедливы при следующих допущениях: коэффициенты теплопроводности всех материалов конструкции ' ИМС в исследуемом диапазоне температур постоянны； теплоотда- | чей через газовую прослойку внутри корпуса и через гибкие прово- ( л очные выводы можно пренебречь; тепловыделяющие элементы ' являются плоскими источниками теплоты; температура корпуса одинакова во всех его точках (изотермичный корпус).
176i
Ноомальнып тепловой режим элементов и навесных компонентов I4MC обеспечивается при выполнении условий
(5.9》(5.9》7? = 7с max + ®к+®з ^ ^шах доп»
(5.9》
(5.9》
Тнк丁с шах+ ®к+ ®з + ®вн & ^тахдоп.
Где Тс max ——максимальная температура окружающей среды в процессе эксплуатации, заданная ТУ； ГШах доп — максимально допустимая рабочая температура элемента и компонента, обычно оговариваемая в ТУ на компоненты или материалы пленочных элементов.
Для дискретных полупроводниковых приборов и полупроводниковых И Л V С Т max доп ~ 55, 85 и 125 С (см. табл. 3.9), для диодов 85° С, для конденсаторов К10-9, К10-17(|0^С, для конденсаторов К53-15, К53-16 75℃ (см. § 3.4).
Нормальный тепловой режим ИМС обеспечивается, если температура самого теплонагруженного элемента ИМС не превышает его максимально допустимой рабочей температуры.
Таким образом, ориентировочный расчет обеспечения теплового режима ГИС сводится к определению Тнк и Тэ всех навесных компонентов и всех резисторов ГИС и сравнению ее с Тшах доп-
Необходимые данные для расчета: толщина подложки 0,6—-
0,8 мм, коэффициент теплопроводности материала подложки — согласно табл. 3.1,(толшина слоя，кл也QJ мм, его коэффициент теплопроводности _0,3_ Вт/ (м • ℃), внут"реннее тепловое сопротивление дискретных полупроводниковых приборов в зависимости от конст» руктивного исполнения 200——1600° C/Вт. Например, для бескорпус- ных транзисторов КТ331, КТ332 с заливкой герметиком с одной стороны (согласно рис. 3.6) тепловое сопротивление /?т = 220° C/Вт, а с заливкой герметиком с двух сторон Rt= 1600° С，Вт, для i<T307 7?т = 630° C/Вт, для КТ324 7?т = 860° C/Вт, для диодов КД901, 904*
Рис. 5.27. Фрагмент ГИС:Рис. 5.27. Фрагмент ГИС:/ — теплоотводящая шииа (медь); 2 — ос■“ иоваиие металлостекляниого корпуса («8・ вар); 3 — ситалловая подложка; 4 — слоя эпоксидного клея/ — теплоотводящая шииа (медь); 2 — ос■“ иоваиие металлостекляниого корпуса («8・ вар); 3 — ситалловая подложка; 4 — слоя эпоксидного клея910, 911 (см. табл. 3.10; 3.11) Rt = 220°C/Bt.
Рис. 5.27. Фрагмент ГИС:
Рис. 5.27. Фрагмент ГИС:
/ — теплоотводящая шииа (медь); 2 — ос■“ иоваиие металлостекляниого корпуса («8・ вар); 3 — ситалловая подложка; 4 — слоя эпоксидного клея
/ — теплоотводящая шииа (медь); 2 — ос■“ иоваиие металлостекляниого корпуса («8・ вар); 3 — ситалловая подложка; 4 — слоя эпоксидного клея
При несоблюдении неравенств (5.9) необходимо принимать дополнительные конструктивные меры для обеспечения теплового режима ИМС .
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
(ОД мм) на теплоотводящую шину; размеры контакта корпуса с теплоотводош； 15X7 мм; мощность, выделяемая в корпусе, 0,2 Вт; максимальная температура окружающей среды в процессе эксплуатации ИМС 50° С. Геометрические разме* ры элементов н рассеиваемые ими мощности приведены в табл. 5.6.
В таблице расчетные значения R「и /?г8фф получены по формулам (5.1} в (5.2), ?(% г) — по графикам рис. 5.26, & —по выражению (5.3)・
Таблица 5.в
Исходные и расчетные значения тепловых параметров для компонентов ГИС
Элемент
Исходные значения
Расчетные значения
X Н
9
ji
В
КТ324 &
0,7
0：6
15
25
0,5
3,6
0,5
0,36
0,45 0,53
1,55-103
0,3-103
0,7-103
0,16-103
10,5 4,0
氏2
60
1,4
0,43
0,54
0,63-103
0,34-103
20,4
“У (體产111111 曲 перегрев области р-п-перехода транзистора КТ324 [см. форму-
®bh = 86J・15・I0-3 = 17,5oc.
Оцениваем перегрев корпуса по соотношениям (5.7) и (5.8): ®к = 0,2/(330*15.7.10-6) = б,3℃
,^Риннмаем максимально допустимую рабочую температуру резистооов
125° С, транзистора КТ324 равной 85℃ (см. § 3.4).”
допусти-допусти-Проводим оценки рабочих температур и сравнение с максимально
допусти-
допусти-
мои температурой:
Tr. =53 + 6,3 + 4,0«6Э℃<125℃,/
7& = 53 + 6,3 + 20,4 и 77℃ < 125℃,Тктз24 = 30+6,3+ 10,5 + 17,5 в84,3℃ <85℃.
электро- неблаго-электро- неблаго-Такнм образом, наиболее теплонагруженным из рассматриваемых радиоэлементов является транзистор, его рабочая температура в самых приятных условиях лишь немного меньше предельно допустимой.
электро- неблаго-
электро- неблаго-
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 при- нятин 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 квар- на или кремния, увеличивающих коэффициент теплопроводности компаундов до 0,5—0,8 и до 1,9—2,4 Вт/(м-℃), 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 178
апповых нагрузок связано с мерами по обеспечению более интен- 弋 теплообмена корпуса ИМС с элементами конструкции узла с，н блока, вплоть до применения жидкостного охлаждения теплоот- ；ов и термоэлектрических холодильников.
в Особенность теплового расчета полупроводниковых ИМС заклю- чается в том, что полупроводниковый кристалл можно рассматри- вать как единственный тепловыделяющий элемент и считать, что суммарная мощность источников теплоты в нем равномерно распре- gneHa в приповерхностном слое. Эта особенность вызвана в первую очередь высоким коэффициентом теплопроводности кремния [80— 130 Вт/(м-℃)], 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
7з=7с + ®к + ®кр+®вн・(5.10).
Условие обеспечения нормальных тепловых режимов записывается в виде
丁9 ^^Tcmax+ ®к + ®кр+ ®НН《Ттахдз”(5」1)
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: Гс тах== 125° С, охлаждение корпуса осуществляется кондукцией через тонкий воздушный промежуток.
При установке кристалла непосредственно на основании металлостеклянного корпуса эвтектической пайкой /in = b, /1к = 0, согласно (5.1) /?г —0, 8Hp=0 и согласно (5.7) и (5.8)
вк = 0,2/(3・ 102.3,14.7,52.10-6) = 3,7℃,
0ВН = RtbrP =五крР/入кр = (° ,2・ 10-3* 0,2)/80 = 2,5・ 10*~б. ° ,2 ^ 0,
7\= 125+3,7129℃< 150℃.
Можно оценить максимальную мощность, которую мог бы потреблять кристалл ИМС в данных условиях, сохраняя свою работоспособность:
ТтахХоп —「с max = ®к = Ртах/(3・ 1。2・3,14・7,52・ 107).
Поскольку екр = 0, 0ВН ^ 0,
Ртах = (15э— 125)・3・102・3」4・7,52・10-бр 1,3 Вт.
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 и относительной влажности (/ ——100%; 2-90%; 3-85%; 4 — 80%; 5-70%;6-65%; 7 — 50%; 8 — 40%)Рнс. 5.28. Содержание паров воды в воздухе при различных температурах и относительной влажности (/ ——100%; 2-90%; 3-85%; 4 — 80%; 5-70%;6-65%; 7 — 50%; 8 — 40%)из испытуемого материала и имеющих в начальный момент различиз испытуемого материала и имеющих в начальный момент различЗначения влажностных коэффициентов различных герметизирующих полимерных материалов—Влажностные коэффициентыМатериалВ, сD, м，/сГ, М/м，Назначение материалаФторопласт-4 Полиэтилен Полистирол ПластмассаК-124-38Пластмасса1-10-18 6,27-10-1в 4.22-10-15 1,66-10-1в2,5 • К)-»18,34-10-13 6,4・10тз 3,32」0т 8,34-10-143,06・ Ют12,0-Ю-5 9,8-10-4 12,6-10-5 2,0 • IL8,3 • ILПолый пластмассовый корпусТо жеВ4-/0КомпаундЭК-16 «Б>Кремнийорга- нический эласто-2,О8」ОТ68,2 • 10-156,4・ 10TS8,2 • К)-?3,25-10-*1,0-10-*Герметизация заливкой, рис* 5.21— 5.23Герметизация заливкоймерКомпаунд ЗКМПрессматериалЭФП-63ПрессматериалК-81-39сПорошковый компаунд ПЭП-177Тиксотропный компаунд Ф-47Тиксотропный компаунд ЭК-91Таблетируемый компаунд ПЭК-19Эмаль ЭП-91Эмаль КО-97Лак УР-231Лак ФП-525Клей ВК-3Клей ВК-94,1 • IN1,83-10-1в3,5-10-1в7,l-10-1J6.Ы0-118,0-10-«5.77-Ю-*3,0-10-*4,37-10-*Бескорпуснаямкорпусная герметизация полупроводниковых ИМС, рис. 5.24, аКорпусная герме* тизация, рис. 5.14То же8,0-10-1в8,5-10-1в6,0-10-1в7,8-10-1в7,0-10-188,2.10-1в5,2-10-1в4,5-10-1в2.9-10-1®3,3-IO-*91,14-Ю"121,5-10-123,04 О"122,1 TOf1,08・10Т21Л-10*133,5・1L1,18-10-«8,0-Ю-*36,5-Ю"137,0-10-*5,7-10-*2,0-10-*3,7-10-*6,5/О-'7,45-Ю-41,48-10-*3,8-10-*3,6-10-*5,03-Ю-*Бескорпусная герметизация толстопленочных ГИС вихревым нал ылениемГерметизация толстопленочных ГИС обволакиваниемТо жеГерметизация заливкой, рис. 5.21— 5.23Бескорпусная гер* метизация полупро* водникозых ИМС, рис. 6.24, аТо жеБескорпусная герметизация тонко- пленочных ГИСТо жеГерметизация корпусов клеевым швоыТо жеЗначения влажностных коэффициентов различных герметизирующих полимерных материалов—Влажностные коэффициентыМатериалВ, сD, м，/сГ, М/м，Назначение материалаФторопласт-4 Полиэтилен Полистирол ПластмассаК-124-38Пластмасса1-10-18 6,27-10-1в 4.22-10-15 1,66-10-1в2,5 • К)-»18,34-10-13 6,4・10тз 3,32」0т 8,34-10-143,06・ Ют12,0-Ю-5 9,8-10-4 12,6-10-5 2,0 • IL8,3 • ILПолый пластмассовый корпусТо жеВ4-/0КомпаундЭК-16 «Б>Кремнийорга- нический эласто-2,О8」ОТ68,2 • 10-156,4・ 10TS8,2 • К)-?3,25-10-*1,0-10-*Герметизация заливкой, рис* 5.21— 5.23Герметизация заливкоймерКомпаунд ЗКМПрессматериалЭФП-63ПрессматериалК-81-39сПорошковый компаунд ПЭП-177Тиксотропный компаунд Ф-47Тиксотропный компаунд ЭК-91Таблетируемый компаунд ПЭК-19Эмаль ЭП-91Эмаль КО-97Лак УР-231Лак ФП-525Клей ВК-3Клей ВК-94,1 • IN1,83-10-1в3,5-10-1в7,l-10-1J6.Ы0-118,0-10-«5.77-Ю-*3,0-10-*4,37-10-*Бескорпуснаямкорпусная герметизация полупроводниковых ИМС, рис. 5.24, аКорпусная герме* тизация, рис. 5.14То же8,0-10-1в8,5-10-1в6,0-10-1в7,8-10-1в7,0-10-188,2.10-1в5,2-10-1в4,5-10-1в2.9-10-1®3,3-IO-*91,14-Ю"121,5-10-123,04 О"122,1 TOf1,08・10Т21Л-10*133,5・1L1,18-10-«8,0-Ю-*36,5-Ю"137,0-10-*5,7-10-*2,0-10-*3,7-10-*6,5/О-'7,45-Ю-41,48-10-*3,8-10-*3,6-10-*5,03-Ю-*Бескорпусная герметизация толстопленочных ГИС вихревым нал ылениемГерметизация толстопленочных ГИС обволакиваниемТо жеГерметизация заливкой, рис. 5.21— 5.23Бескорпусная гер* метизация полупро* водникозых ИМС, рис. 6.24, аТо жеБескорпусная герметизация тонко- пленочных ГИСТо жеГерметизация корпусов клеевым швоыТо жеТаблица 5.7Таблица 5.7
Рнс. 5.28. Содержание паров воды в воздухе при различных температурах и относительной влажности (/ ——100%; 2-90%; 3-85%; 4 — 80%; 5-70%;
6-65%; 7 — 50%; 8 — 40%)
Рнс. 5.28. Содержание паров воды в воздухе при различных температурах и относительной влажности (/ ——100%; 2-90%; 3-85%; 4 — 80%; 5-70%;
6-65%; 7 — 50%; 8 — 40%)
из испытуемого материала и имеющих в начальный момент различ
из испытуемого материала и имеющих в начальный момент различ
Значения влажностных коэффициентов различных герметизирующих полимерных материалов
—
Влажностные коэффициенты
Материал
В, с
D, м，/с
Г, М/м，
Назначение материала
Фторопласт-4 Полиэтилен Полистирол Пластмасса
К-124-38
Пластмасса
1-10-18 6,27-10-1в 4.22-10-15 1,66-10-1в
2,5 • К)-»1
8,34-10-13 6,4・10тз 3,32」0т 8,34-10-14
3,06・ Ют
12,0-Ю-5 9,8-10-4 12,6-10-5 2,0 • IL
8,3 • IL
Полый пластмассовый корпус
То же
В4-/0
Компаунд
ЭК-16 «Б>
Кремнийорга- нический эласто-
2,О8」ОТ6
8,2 • 10-15
6,4・ 10TS
8,2 • К)-?
3,25-10-*
1,0-10-*
Герметизация заливкой, рис* 5.21— 5.23
Герметизация заливкой
мер
Компаунд ЗКМ
Прессматериал
ЭФП-63
Прессматериал
К-81-39с
Порошковый компаунд ПЭП-177
Тиксотропный компаунд Ф-47
Тиксотропный компаунд ЭК-91
Таблетируемый компаунд ПЭК-19
Эмаль ЭП-91
Эмаль КО-97
Лак УР-231
Лак ФП-525
Клей ВК-3
Клей ВК-9
4,1 • IN
1,83-10-1в
3,5-10-1в
7,l-10-1J
6.Ы0-11
8,0-10-«
5.77-Ю-*
3,0-10-*
4,37-10-*
Бескорпуснаям
корпусная герметизация полупроводниковых ИМС, рис. 5.24, а
Корпусная герме* тизация, рис. 5.14
То же
8,0-10-1в
8,5-10-1в
6,0-10-1в
7,8-10-1в
7,0-10-18
8,2.10-1в
5,2-10-1в
4,5-10-1в
2.9-10-1®
3,3-IO-*9
1,14-Ю"12
1,5-10-12
3,04 О"12
2,1 TOf
1,08・10Т2
1Л-10*13
3,5・1L
1,18-10-«
8,0-Ю-*3
6,5-Ю"13
7,0-10-*
5,7-10-*
2,0-10-*
3,7-10-*
6,5/О-'
7,45-Ю-4
1,48-10-*
3,8-10-*
3,6-10-*
5,03-Ю-*
Бескорпусная герметизация толстопленочных ГИС вихревым нал ылением
Герметизация толстопленочных ГИС обволакиванием
То же
Герметизация заливкой, рис. 5.21— 5.23
Бескорпусная гер* метизация полупро* водникозых ИМС, рис. 6.24, а
То же
Бескорпусная герметизация тонко- пленочных ГИС
То же
Герметизация корпусов клеевым швоы
То же
Значения влажностных коэффициентов различных герметизирующих полимерных материалов
—
Влажностные коэффициенты
Материал
В, с
D, м，/с
Г, М/м，
Назначение материала
Фторопласт-4 Полиэтилен Полистирол Пластмасса
К-124-38
Пластмасса
1-10-18 6,27-10-1в 4.22-10-15 1,66-10-1в
2,5 • К)-»1
8,34-10-13 6,4・10тз 3,32」0т 8,34-10-14
3,06・ Ют
12,0-Ю-5 9,8-10-4 12,6-10-5 2,0 • IL
8,3 • IL
Полый пластмассовый корпус
То же
В4-/0
Компаунд
ЭК-16 «Б>
Кремнийорга- нический эласто-
2,О8」ОТ6
8,2 • 10-15
6,4・ 10TS
8,2 • К)-?
3,25-10-*
1,0-10-*
Герметизация заливкой, рис* 5.21— 5.23
Герметизация заливкой
мер
Компаунд ЗКМ
Прессматериал
ЭФП-63
Прессматериал
К-81-39с
Порошковый компаунд ПЭП-177
Тиксотропный компаунд Ф-47
Тиксотропный компаунд ЭК-91
Таблетируемый компаунд ПЭК-19
Эмаль ЭП-91
Эмаль КО-97
Лак УР-231
Лак ФП-525
Клей ВК-3
Клей ВК-9
4,1 • IN
1,83-10-1в
3,5-10-1в
7,l-10-1J
6.Ы0-11
8,0-10-«
5.77-Ю-*
3,0-10-*
4,37-10-*
Бескорпуснаям
корпусная герметизация полупроводниковых ИМС, рис. 5.24, а
Корпусная герме* тизация, рис. 5.14
То же
8,0-10-1в
8,5-10-1в
6,0-10-1в
7,8-10-1в
7,0-10-18
8,2.10-1в
5,2-10-1в
4,5-10-1в
2.9-10-1®
3,3-IO-*9
1,14-Ю"12
1,5-10-12
3,04 О"12
2,1 TOf
1,08・10Т2
1Л-10*13
3,5・1L
1,18-10-«
8,0-Ю-*3
6,5-Ю"13
7,0-10-*
5,7-10-*
2,0-10-*
3,7-10-*
6,5/О-'
7,45-Ю-4
1,48-10-*
3,8-10-*
3,6-10-*
5,03-Ю-*
Бескорпусная герметизация толстопленочных ГИС вихревым нал ылением
Герметизация толстопленочных ГИС обволакиванием
То же
Герметизация заливкой, рис. 5.21— 5.23
Бескорпусная гер* метизация полупро* водникозых ИМС, рис. 6.24, а
То же
Бескорпусная герметизация тонко- пленочных ГИС
То же
Герметизация корпусов клеевым швоы
То же
Таблица 5.7
Таблица 5.7
риалы обладают повышенными значениями влагопоглощения и вла- гопроницаемости.
Окружающий воздух практически всегда представляет собой паровоздушную смесь. Содержание паров воды в воздухе при различ-
ных температурах определяет- з ся из рис. 5.28.
Количество поглощенной герметизирующей конструкцией из воздуха влаги М увеличивается с повышением парциального давления паров воды рн&о (закон Генри):
而=「〃но (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 (м?/с) в материале. Коэффициент влагопроницаемости В (с) характеризует способность материала пропускать влагу и оп-
ределяется количеством воды, прошедшей через мембрану из этого материала при наличии разности давлений паров водьгцо обе стороны мембраны. Коэффициент В отражает процесс выравнивания концентраций влаги в двух объемах, разделенных мембраной
ные концентрации влаги.
Коэффициенты В, D и Г связаны между собой соотношением
B=QF・ (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. Исход* ные данные для расчета влагозащиты микросхем: 7。— температу. ра окружающей среды, К;屮 ——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-
рующсй оболочки, м; V―внутренний объем корпуса, в котором происходит растворение влаги, м3; В — коэффициент влагопроница- емостп 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 ИМ С 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 свобод, ный внутренний объем, называются полыми. Влагозащша таких корпусов оценивается временем т, в течение которого давление паров воды внутри корпуса достигает критического значения Ркр, при котором наступает отказ ИМС:
с = Го + а (5.14)
где то — время увлажнения материала оболочки； ti —время натекания влаги во внутренний объем корпуса.
Значение т0 зависит от толщины оболочки d и коэффициента диффузии D молекул воды в материале оболочки:
%=〃2/(б。).(5.15)
Формула предполагает, что насыщение материала влагой осу， ществляется только путем молекулярной диффузии в оболочку корпуса. Обычно т0 следует учитывать при толщине оболочки корпуса d>0,l мм.
Время натекания влаги
VTdVTd(5.16)(5.16)
VTd
VTd
(5.16)
(5.16)
Тогда время т составит
d2访d2访(5.⑺(5.⑺VTd 1 / p0
d2
访
d2
访
(5.⑺
(5.⑺
T= In -—
BS \ Po 一 Ркр
В большинстве случаев внутри полых корпусов находится воз, дух, который обладает определенной влажностью. Если в начальный момент времени в корпусе ИМС имеется влага с парциальным давлением рп, то т уменьшается:
(5.18)(5.18)VTd ] Г^0,(Ар —Л)- ,"2
(5.18)
(5.18)
T=In H
BS [(Po — Ркр)(Po — Ph)」6£>
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 пластмасс。、 вый 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 182
равным 0,85—0,95 р0, так как при этих значениях рКр влага приво- дИТ к внезапному или к постепенному отказу ИМС.
Ппимеп Определить время влагозащиты ИМС в металлополимерном корпу- се пр„ 7 = ^93 К, 丫=2・10-7 мз, d = 3・10-3 м, 5=5,3-10~6 м2. Использован заливочный компаунд ЭК-16 «Б».
Определяем время насыщения влагой компаунда по (5.15):
(3-10-3)2
W = 6 6 4 If = 2‘26J06с У 26 сут.
2・10-7，7,4・10一6・3，10-35,3-10-6*2,08*10-162・10-7，7,4・10一6・3，10-35,3-10-6*2,08*10-16Полагая, что в начальный момент влага внутри корпуса отсутствует, нахо- 〃нм время накопления влаги внутри корпуса до давления паров рКр по (5.16), используя данные табл. 5.6:
2・10-7，7,4・10一6・3，10-3
5,3-10-6*2,08*10-16
2・10-7，7,4・10一6・3，10-3
5,3-10-6*2,08*10-16
6 =6 =Inf二7~) = 12,1・ 106 a 140 сут.\ 1 — 0,95 /
6 =
6 =
Сбщее время влагозащиты
р = 26+ 143 = 166 сут.
2・10_7・7,4・10—б・3・10—з g ” = 5,3-10-6.2,08-10-16 " П2・10_7・7,4・10—б・3・10—з g ” = 5,3-10-6.2,08-10-16 " ПЕсли внутри корпуса содержится некоторое количество влаги, например рн = О,5ро, и по-прежнему ркр=0,95р。, то время диффузионного натекания влаги
2・10_7・7,4・10—б・3・10—з g ” = 5,3-10-6.2,08-10-16 " П
2・10_7・7,4・10—б・3・10—з g ” = 5,3-10-6.2,08-10-16 " П
=11,65* 106 с ^ 135 сут.=11,65* 106 с ^ 135 сут.1(0,95 — 0,5)
=11,65* 106 с ^ 135 сут.
=11,65* 106 с ^ 135 сут.
(1 — 0,95) (1 — 0,5)
Общее время влагозащиты
р = 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
Н =Н =工:工辞 Е (宀)=1。21。小 h8。сут . 32,3 года.
Н =
Н =
При рн = О,5ро
_2，10-7，10一3.3/0一3 e 1(0,85 - 0,5)_
5 = 5,3-10-6.2,08.10-6 П(1 — 0,85) (1 — 0,5)—
= 8,35- 108с в 9703 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 р^р паров воды, наступает отказ ИМС. Время, в течение которого на поверхно-
сти ИМС достигается критическая концентрация влаги, определяют из выражения
4d2；「汽2 /Ркр
In Iл2ДL 8 〈Ро
Как видно, оно определяется толщиной герметизирующего материала, коэффициентом диффузии молекул воды в нем и отношением ркр/po- 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
/3/42・332,4・36J0・6,l・ 10-13У41п[3,142/8(1 — 0?9)]~/3/42・332,4・36J0・6,l・ 10-13У41п[3,142/8(1 — 0?9)]~1,36-Ю-з1,36-Ю-зм == 1,36 мм.м == 1,36 мм.
/3/42・332,4・36J0・6,l・ 10-13
У41п[3,142/8(1 — 0?9)]~
/3/42・332,4・36J0・6,l・ 10-13
У41п[3,142/8(1 — 0?9)]~
1,36-Ю-з
1,36-Ю-з
м == 1,36 мм.
м == 1,36 мм.
Герметизирующая оболочка такой толщины обеспечивает требуемую влаго* защиту при отсутствии в ней дефектов.
Глава 6
АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНСТРУИРОВАНИЯ ИМС
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, кон- структнвные 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 в0 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 н оперативно информирует его о допущенных ошибках. Примером такой «дналогсвой» системы, предназначенной для автоматизации проектирования гибридных и полупроводниковых ИМС и БИС, является отечественная система «Купон» (рис. 6.1).
Рис. 6.1. Программно-аппаратный комплекс системы «Купон»
Система обеспечивает выполнение следующих функций:
ввод графической информации с топологического чертежа, геометрия элементов которого представляет： прямоугольник со сторо* нами, 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. 62 ЭВМ «Электроника 100-25>Рис. 62 ЭВМ «Электроника 100-25>между элементами топологии в одном и в разных слоях;
Рис. 62 ЭВМ «Электроника 100-25>
Рис. 62 ЭВМ «Электроника 100-25>
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 ЭВМРис. 6.3. Внешнее запоминающее устройство ЭВМческий кодировщик графической информации. Все эти устройства сопрягаются с ЭВМ «Электроника 100-25》 (рис. 6.2) через интерфейсный блок. °
Рис. 6.3. Внешнее запоминающее устройство ЭВМ
Рис. 6.3. Внешнее запоминающее устройство ЭВМ
Ввод информации в систему может производиться в цифровой
нлн текстовой форме, а также в виде координат точек с топологического чертежа.
Вывод результирующей графической информации производит- ся 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
Рис. 6.6. Графический дисплей с устройст* вами j-пранления положением маркера на экране ЭМ-729Рис. 6.6. Графический дисплей с устройст* вами j-пранления положением маркера на экране ЭМ-729
Рис. 6.6. Графический дисплей с устройст* вами j-пранления положением маркера на экране ЭМ-729
Рис. 6.6. Графический дисплей с устройст* вами j-пранления положением маркера на экране ЭМ-729
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 используе!ся 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 тополо- гин 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. Полуавтоматиче-ский кодировщик графиче-ской информации ЭМ-719
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 ЭВД1.
Устройство управления положением маркера (см. рис. 6.6) располагается рядом с дисплеем и представляет собой планшет, имитирующий рабочее поле экрана дисплея. По поверхности планшета 188
разработчик вручную перемещает головку датчика перемещения (курсор) и одновременно наблюдает изображение на экране графи- ческого дисплея. Данные о топологии с графического дисплея передаются в ЭВМ.
Ввод графической информации в систему предварительно разра- ботанного «вручную» топологического чертежа производится с по- моЩЬю кодировщика графической информации (рис. 6.7). Это устройство типа чертежного координатного прибора с размером рабочего поля 1100X1500 мм, к поверхности которого прикреплен чертеж, выполненный на бумаге или кальке с прецизионной координатной сеткой с шагом не менее 2 мм. Описание топологии произ- водится 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 ММС на чертежную бумагу или безусадочную кальку используется графопостроитель планшетного типа ЭМ-7022 (рнс. 6.8) с размерами рабочего поля 1200Х 1600 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 0J 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.
Работа с системой «Кулон»
Разработку топологии ИМ С начинают с расчета ее элементов, после чего выделяют отдельные элементы и фрагменты, которые встречаются неоднократно. Как правило, в современной БИС мож- но 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 ЗВМ.
Исходная информация вводится в систему либо с предварительно разработанного «вручную» топологического чертежа, либо в виде изображения топологии или ее фрагментов, которое срисует» 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 производйт 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 какого 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, представ- собой совокупность всех слоев, а также послойных топологических чертежей；
формирование массива координат угловых точек топологии ими для изготовления комплекта фотошаблонов.
" Конечный результат разработки топологии выдается с графопостроителя в виде совмещенного топологического чертежа всех ело-
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《Купон》, приведен на рис. 6.9.
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 диэ^ трика, определить топологию, геометрические размеры и су\ ную площадь диэлектрика всех конденсаторов. Пример распена,. 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.
0
Ввод исходных данных ]
2
Цикл вычисления К巾
Цикл сортировки Я, порядке возрастания Кф
Цикл поиска первогомеандра NNN-I
4
Программа расчета тонкопленочных резисторов
DOS/ES
FORTRAN
IV
У/ 2 .2HAINPCM
DAT£
21/05/j
000 1
REAL L，L1，N，K，LCP,LS，LS1
0002
REAL LTO，LmO，LR
0003
DIMENSION R〈1C0),p(100),z(100)
С
С
РАСЧЕТ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ РЕЗИСТОРОВ.
с
с
R 了0N k
с
с
ВВОАДАННЫХ.
0004
REAO (T,7)bTEX,RO,PY,A,B，C,D
0005
WRITE (3)1?1 RO >PY
0006
#RJtE(3,3)
0007
Read( i，8)к,h
0008
Read( 1 j 9)ur(i);p( i)) ? i = ьк)
0009
suns=0-
с
СОРТИРОВКА
0010
DO 1 11 1= I ,K
00 1 1
111
2（1）=R（ I）/RO
00 12
N9=K7
00 13
N0 = N9
0014
DO 1 15 J： 1 ,N8
00 15
DO 1 14 1 = 1 ,N9
0016
IF (Z ( I)-Z ( И 1)) 112,112,113
0017
из
F1 = Z"*1)
0018
F2=R(l+l)
0 0 1夕
F3=p(I+l)
0020
Z(I + 1)=Z ( I )
0021
RI[ + 1)=R ( I)
0022
P (I * 1)=p ( 1 )
0023
R(i)=F2
0024
ZH)二 Г
002 5
P(1)=F3
0026
112
CONY【NUE
0027
114
continue
0028
N9 = n9- 1
0029
115
CON у INU 5
с
определение первого меандра*
0050
ОО 77 1=1fK
003 1
76
IF (ZlI)T0.) 77,77,76
0032
76
NNN：I
0035
GO TO 30
0034
77
cont inue；
0035
80
CONTINUE
с
一С
ЛОРНИРОВАНИЕ ЗАГОЛОВКА ТдБПИЦЫ РЕЗУЛЬТАТОВ
0036
HR【TE(5,999I)
0037
WR 1 ТЕ 1 $ , $ 999)
0”8
WRITER, 9999)
0039
WRITE”,9992)
0040
WRItE(5,9999)
0041
h'Rl tE(5, 99g I)
0042
HR I ТЕ(3,9999 )
纟us/三3
FORTRAN
IV V・H 2・2K&1NPCH“Te 21/05/81
0”3
KR I ТЕ(3,999。｝
0044
卜RITE <3*9993)
20^5
UR 1 ТЕ(31 9999)
0046
Wfi I ТЕ( 3,999 1)
2047
WRITE",9”9)
23&3
IF(Z(1)-10.) 400,400,500
23"
400 WP1ТЕ(3f1^1)
2050
WRITE (3,99X)
025 1
WR1TE(3,9999)
ЙЙ52
5ЗЗ CONTINUE
с
с
расчет топологии.
005 3
DC 6 1=1，к
£054
IF (【.NE , NN* go To 50t
«055
WR I ТЕ( 3( 102)
0056
HR 1 IE(3,9994)
E057
WRItE(3,9999J
S05S
501 CONTINUE
00S9
1 p (2 ( 1),GE.1.0) GOTO 5c2
0060
L T0= U/Z 1 I ) +B ) /D
006 1
LMO=SQfiT <P[П *Z(I)/РГ)
0362
LHrд(-дХрЯ (LTO^LMO.eTEX)
0363
Lfi = INT(LR/Н)*H*H
206©
B=LR/Z(I)
•0065
li=lr*2.*c
0066
S=LR*B
Я067
0368
WRITE",99g9)
0369
wR【TE",I3)l，Rl〔)・Z(I)，P(I),8,LTD,LH0,8TEXjR，Li，S,Sf
*0070
WRITE(3,9999)
007 1
cd to 6
0Я72
522 COM INUE
2373
вто= (л *e/z( j))/d
0074
BMO=SQfiT(p(1)ZPY/Z(【))
207 5
ВР=ДМДХРЯ(gTO,BMOf0TEX)
«076
BR=INT(BR/H)*H*H
0077
—4〔F (Z (【).СТ.I0)GO；O5
0078
L=Bfi»Z(I)
2079
L l = L+2 • *C
0083
S=L*BR
035t
S I =L 1*BR
名0 § 2
VRITE(3,9999)
ез&з
W1?! tE(3, 1 11 I iR ( I UZ( I) ,p( Г).BTO.BMOtBTEX^BR^tLbSiSi
2 0 9 4
WAIJE(3,9999)
465
SUQSUmS + S 1
0056
G0TO6
0037
5 M=SqRt(0-0625+Z(I)/2*J-0*25
0088
KFN=N+0.5
гй£9
FN=kFN
3053
H=8fl*(Z(i J-FN)/FN
23g !
E=2.*FN»BR
2092
S=2.*C*0R * —
S2=E*M*S -
'cp=bR* Z(1)
195
194
009 5 0096 0097 0098 0099 3 100 0 10 1 0102 0103 0104 .0 105
0 I 06 0107 0 108 0109 0 110
LS[ = (R(I)-FN*2.»^.5S*Rd)/FiO*BR LS=lSi+fN*2.*BR 1FILCP-LS) '1Й0111002Н001
1001 M=M+(LS-LCp)/rN
1002 S21-E*M+S
OB=(LS~LCP)/FN
EI=F*2**C
SUMS=3UM3+S2I
將嚣 ^；：；；MtUI32 ⑴ OBT<MM0,8TEX,BR,S2,S21,E,El,H,N"iDB WRITE(3j999?)
6 CONTINUE XRITE(3,999I) *，rITE(3,200HUHS WRITECQ) XR1TE”,3)
二：XI 二 二二 XJIHE* 工工：X? NE:X£7;工：x"工工、2
0 111
0 112
0 113
0 114
0115
C
С ФОРМАТУ.
3 FORMAT (//)
7 FORMAT【7F7 .3)
0 FORMAT(” I F7，3丿
0 1 17
0118
0 1 19 0 120 0121 £\22 0123
9 FORriAT(10F0.3)
10 FORMAT (，一，2X J2,1X,F6.2, lX,F4.irx,F6.2,TSY，F4.2i1X,F4.2, *1X；F4.2,iX,F3・2,lX,F4.27K；F4.2，iiF7・43X,F7.4)
II FORMAT( /+ \2X, 12-1X,F6；2^ ГХ(Г4. 1, 1X,? Г X, F“2,1X，F《.2,
”X，F3.・2, IX,F4・2,15x，F4.2, lx，F，2, lx,户.4, IX，F7.4)'
12 Кормат(/////20Х,Сдельное сОпРоти0леНие резиСтиэной пленки rOs*> ♦ F7.3//20X, ^УДЕЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ п^ЕНКи P0=^F7.3)
14 FoRHATf'+',2hl2，IX>F6.2,lx>F4・Ii〔x"6・2，lX，F4・2t!X，F4.2,
*!X,f3.2,1X,f4.'2,25x,F7,4, 1x,F7・4"x,F5.2“x，F5・2,
*1X,F5・2,1x,F4・1,1X,F3.0,TX,F4・2}
ГОКМАТ(35Х,,Кф<= 10-РЕЗИСТОРЫ ТИПА ПОЛОсКЛ,)
FORMAT(35X,^t>! ^-РЕЗИСТ ОРЫ ТИПА МЕАНДР^
ГОЙМАТ(///40Х.^СУММД ПЛОЩАДЕЙ РЕЗИСТОРОВ S=*«F7.2)
Iff I
132
200
999 1 FORMAT(2式,I t《「- ')}
9992 FORMATl,**,2X,,NR',4)t»,ft>,4X),K*,,3X>*P(R)»»2X,*0TO4,,lX),6(P)<
'ВТХ'ЗХ, 'B，2乂，'LT04TX，'L(P} ‘IX, 'LTX'JX, 'L'3X，'L「
*5X, ^S ^бХ, / 5 I 7i 6X, >E *,5X, z£l S 4Xt f5 S 4Xt ^N^^Xj ^NOK^SX, *DB*)
二-x-l-xrlj X-I 二 XTI-XF I *-• 二;、Jx 二xIxy I : X" 二 XI 二 XF】二 *9 二二 xrl '《х-УННЕбббб i-xzWEXEJEWxNEx之工； ^НЕ-идн'-хб-иос+сптноисббб
GodoIOMeM xnHhoHalmoHHgl EIOZBd BOHBIquAcad MXHBhsuoBd &ss^
ZE 09Z-0£10▽0
g I 11
'—'i»-«i[ II—■ 1—■
I I I
III 1
111-1
ill t
J I I 1 <—•j
,♦Т .,1\ 一
96
ill 1
4г .
ill 1
•—■
ill 1
I I I I I
0
III j
I I I 1I
I I I I I
S1
III 1
II I I I
^1b
I ►—• ■—■ )»—< 工 *-A ,—■
•-< >—■■
T 1 г T
<—• >—• •—< 1
iii 1 I s I I
^^ 一 ， hН
I
»I I—* j
I I 1 I UJ I I
1—> 1■
СО ・♦ • t
LU
工10.
ill J
7 I I 1 I U II
0
1
>9
81,У
111 I I 111IIII
I j I
I II I
I0
00
1to
111 till 1 IIII
99
1
e I0
00
О1В
I I I I I
1q
co 6
T I I 1 III J III7I
III
0cHs•godoIJMF QYhlol/匸 <£>*
Список идентификаторов, использованныхв программе расчета тонкопленочных резисторов
ВТЕХ — минимальная ширина резистора, обусловленная возможностями технологии 6техн, мм (по формату 7.3).
RO — удельное сопротивление квадрата резистивной пленки ps, кОм/口 (по формату 7.3).
PY — допустимая удельная мощность рассеяния Р°, мВт/мм2 (по ф°р. мату 7.3).
А, В — погрешности геометрических размеров АЬ, А厶 мм (по форма- ту 7.3).
С — перекрытие резистора с контактной площадкой е, мм (по форма、 ту 7.3).
D — погрешность коэффициента формы укф (по формату 7.3).
К — число резисторов (по формату J3).
Н — шаг координатной сетки, мм (по формату 73).
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 WS& мм.
Z(J) —коэффициент формы Кф.
В — расчетная ширина резистора &раСч, мм.
ВТОЧ — ширина резистора из условия точности &Точн> мм.
В(Р) —ширина резистора из условия выделения заданной мощности, Ьр, мм.、
— расчетная длина резистора 厶 мм.
полная длина резистора /Полн)мм.
N — число звеньев меандра, п.
NOK — округленное значение числа звеньев меандра.
М — ширина меандра В, мм.
Е — длина меандра 厶 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 конденсаторов
0006е・0 28
丿 Программа расчета тонкопленочных конденсаторов
10 言8口・0 Ms 0000006 * 0 НВ"!
〔0 山自2・0 2ns BodoMH£HO;3wi ЕА口
s 3006 gl ・0 "08 -0 3000^・0°"?s
00 3000m0 "w -^r.^ ^^
10ш006ат・0 МНВ
10ш00069・0 ”9ud=
godoI&SVHOM XHHhoHelmoMHOJ BHKd 8。息qae3d MHHBha匚宮 de另3
EzaisHns 80d0MH31;3mlsi声土〉乏莪- • wnNIlNO:
(、~DHd3B3H HYdg-qB VXHdNwumMB FVMdHLE工-7-0P 二二 s + sn*SERg
Nvl
-MHO』91
I 0ш000-・ 0 "HI0;gad £1/2 Na-L
W^WQ g
1100 0100 6900 9900 『900 9900 6900 寸900 C900
7900
C
РАСЧЕТ ТОНКОПЛЕНОЧНОГО КОНДЕНСАТОРА
0001
0002
0003
0004 0005
0006
0007
REAL КЗ
DIMENSION cM0) ,UR(40} >S1 (40)
REAO( 1111 К
READ( 1 . 2 J ( (C( I 1fUR(П1 i[ = 1»KJ
READfl.JJF.OL.H.EPRtEpS^^CiRQiTOtKS
REAO( 1 > 2^)TKC-DT
20FORMAT (2E6.5)
0008
1 FORMAT (13)
0009
2 FORMAT( 10E3.3)
00 10
3 FORMAT ( 10E8-3)
0011
00 12
00 13
SUMS = 0 .
M= 1 50004 1 = 1 t К
00 14 0015
WR Г ТЕ( 3 » 1 0 » C(1) • UR И J ,F
10 FORMAT( 'C='，E 12・5, 'UPAB=*,EL2<5, f FPA5± '，E12•5，
90 16
00 17
1F (M)30.30,35'
35 DY = k 3*UR( [1/EpR
0318
00 19 0020 0021 0022 0023
0024
COV=0.000fi35*EpS/DY gct=tkc*dt GSO=GC-G-QCT
COT^C(I)* fCSD/2./DL)**2 co=cov
1F (CO.GT.CoT J CO=COT
30 Aa=C(I)/GQ
0025
*AK=1.3-0.06*AA
0026 0027
0028 0029 0030
0031 0032
)F <AA -GE.5. ) AK= 1 . SS=AA/AK
-IF(SS.LE.0.25JGO TO 15
IF(SS.LE.200) CO TO 6 SS=200.
GO TO 45
15 SS=0.25
0033
45 AK=AA/SS
0034
0035
0036
0037
0038
AA= 1 1.3-дК)/0.06
CO=C(I)/да
Dr=0.000885*EPS/CO
IF(DY.CT.0.031)Go TO 40
6 TCR=4.187*f*R°・C(1)/ 1。*，12
0039
004。
0041
IF (TGR.LE.tD) go TO 8
WR】TEI3,9) TGR,TD
9 format < *tan йельта pa6=，，e12・5,'tan дельта=г»Е12.5/)
0042 00”
GO TO 40
• 8 ERp=UR(Il/0.0008e5/EPS*cQ
0044
0045
0046
IF(ERP.LE.EPR)GO TO 11
WRlrE(3,12)EPR,ERP
12 FORMA"'ЕП=\Е12.5» *EPn=SEi2.5/；
0047
0348
GO TO 40
11 CCR = G + GSd尸「
0049
0050
IF tCCR.LE.CC) CD TO U7
WRlTEt?,85)CCRtGC
005 1
65 FORHAW10X JGCR= ’，EI2・4MCCu'，El2・4)"
0052
0053
CO To 40
14 AL0=saRT(SS)
0054 0055 0056 0057
0058 0059
0060 0061
AL0= 1NT(AL9/H)*H+H
00=AL0-H -
ALH=AL0*0.4
BH=BB*0.4
ALD=ALh+0.2
8D = 8x+ 0 . J
S1(I)=ALD*bD
wRlTEl3*16)TGR,ERP»GCR.ALp,0B»ALH<9HtALDI8DiSl(I)
*3 、、
В np。S=揣関^肾黑'滥盘爲瑞跣叩。вВ np。S=揣関^肾黑'滥盘爲瑞跣叩。вК — количество конденсаторов.C(J) —емкость конденсаторов С, пФ.UP(J) — рабочее напряжение /б, В*Е — рабочая частота 儿明 Гц.DL ——погрешность линейных размеров AL, АВ, мм.EPR — пробивная напряженность ЕцР/ В/мм.EPS — диэлектрическая проницаемость е.G — относительная GC — относительнаяGCT — температурная RO —- сопротивление TD —К — количество конденсаторов.C(J) —емкость конденсаторов С, пФ.UP(J) — рабочее напряжение /б, В*Е — рабочая частота 儿明 Гц.DL ——погрешность линейных размеров AL, АВ, мм.EPR — пробивная напряженность ЕцР/ В/мм.EPS — диэлектрическая проницаемость е.G — относительная GC — относительнаяGCT — температурная RO —- сопротивление TD —L L LL L LB.HDB.HD
В np。S=揣関^肾黑'滥盘爲瑞跣叩。в
В np。S=揣関^肾黑'滥盘爲瑞跣叩。в
К — количество конденсаторов.
C(J) —емкость конденсаторов С, пФ.
UP(J) — рабочее напряжение /б, В*
Е — рабочая частота 儿明 Гц.
DL ——погрешность линейных размеров AL, АВ, мм.
EPR — пробивная напряженность ЕцР/ В/мм.
EPS — диэлектрическая проницаемость е.
G — относительная GC — относительная
GCT — температурная RO —- сопротивление TD —
К — количество конденсаторов.
C(J) —емкость конденсаторов С, пФ.
UP(J) — рабочее напряжение /б, В*
Е — рабочая частота 儿明 Гц.
DL ——погрешность линейных размеров AL, АВ, мм.
EPR — пробивная напряженность ЕцР/ В/мм.
EPS — диэлектрическая проницаемость е.
G — относительная GC — относительная
GCT — температурная RO —- сопротивление TD —
L L L
L L L
B.HD
B.HD
погрешность удельной емкости ус ^ погрешность изготовления конденсаторов ус. погрешность изготовления конденсаторов, квадрата материала обкладок р$, Ом/口.
тангенс угла диэлектрических потерь tg 6.
КЗ —— коэффициент запаса электрической прочности ^з.
Н ——шаг координатной сетки, мм.
ТКС — ТКС(X Ю4) в диапазоне температур, 1/℃.
М — признак проведения корректировки.
DY — толщина диэлектрика d, мм.
SUMC — суммарная площадь конденсаторов WSc, мм.
GSD — допустимая погрешность площади ys доп.
COV — удельная емкость исходя из электрической прочности Соу.
TGR—рабочий тангенс угла диэлектрических потерь tg6p&6・
ERP — рабочая напряженность электрического поля £\>&§, В/мм,
GCR — относительная погрешность 丫。口@6 •1'
DT — температурный диапазон АТ, °C.,
СОТ — удельная емкость исходя из точности изготовления койденсаторь о^н, пФ/мм2.
BB ——длина и ширина верхней обкладки конденсатора, мм. ВН ——длина и ширина нижней обкладки конденсатора, мм. BD — длина и ширина диэлектрика конденсатора, мм.
pHC 6J2・ Структурная схема программы расчета толстопленочных '• 'зисторов
// EXEC FFQRTRAN
С
С расчет толстопленочных резисторов
С
REAL Kf »R ( I 00) , Р ( 100) > s ( 100)、. READ( 1,90)И 90 FORMAT(13)У
S2=0・
DO 6 J= 1 * H
REAO ( 1 ,1)К
READ ( l,2)((R(!),Ptl)),T：：l，K)
REAO ( 1 t3)P0,RO,H,DH
1 format(I 3)
2 FORMAT(10F6.?)
5 FORMAT(4FS.3)
WRITe(3»98)RO»P0
98 FORMAT {// * ПАСТД ： R。二\F8・3，‘ P。二'iF8・3〃)
8 DO 77 1 = 1,К'
KF二R t I)/RO
IF( KF・LE・6・・0R・KF・Ce・"167)CO TO 107
PRINT 5
5 FORMA”
1， ИЗГОТОВИТЬ РЕЗИСТОРЫ Из ОДНОЙ ПАСТЫ НЕдЬЗЯП 扌
СО ТО 6у
107 0p=SQRT(2.*P(I)/KF/P0)—' 「
6PT = IFIX〔ВР/Н)*Н*Н
BR=0-8
IF(BPT.GT.0.8) BR=BPT
AL=BR*KF ALI=AL+2.*0H
S (1)=AL 1*BR
WR1 ТЕ (j>,4) R ( I ) , P (I),BPT,BR » AL » AL1 ,S ( I )
4 Format(r=，，f8・2，‘p 二\F8・2JbR='，
F8・2「Bi,F8・2「L=\F8・2，‘L[=，，Fb.2「S=\F8・2)
；77 CONTINUE
} S1=0・“
〃 DO 7 I = 1, к
I 7 S1 = S1 + S(I I WrITE(3»9)S1-
9 F0RMAT(//5X,гСУММД S=*»F10.3)
S2=S2+S1
6 CONT I NUE
'WrITE(3»97)S2
97 FORMAT"/' СУММАРНАЯ ПЛОЩАДЬ РЕЗИСТОРОВ S2=*,F14.3) END
Список идентификаторов, использованныхв программе расчета толстопленочных резисторов
R(I) —номинал резистора /?<, кОм.
Р(1) —мощность, выделяемая на резисторе, Р«, мВт.
К — число резисторов в группе.
KF — коэффициент формы &力.
М —число групп резисторов (резистивных ласт).
RO — сопротивление квадрата резистивной пленки р&, кОм/И»
РО — удельная мощность Ро> мВт/мм2.
ВР — ширина резистора с учетом мощности Ьр, мм.
BR — расчетная ширина резистора bpacq, мм.
ВРТ —округленная ширина резистора, мм.
В — выбранная ширина резистора Ь, мм.
AL, L —длина резистора 厶 мм.
AL1, L1 —длина резистора с учетом перекрытия /аОлв> мм.
S — площадь резистора, мм2.
Н — шаг координатной сетки с учетом масштаба чертежа, мм・
DH-величина喘聲麒需跋富，歌配幾"鍔喘с£'盜
眠明需T嘱：1s閣
Уконденсаторов
ПРИЛОЖЕНИЯПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЯ
Программа расчета толсюпленочньк конденсаторов
полупроводниковуюполупроводниковую(см. рис. на(см. рис. наПтС, выполненную пс планарно-эпитаксиальной технологииПтС, выполненную пс планарно-эпитаксиальной технологии
полупроводниковую
полупроводниковую
(см. рис. на
(см. рис. на
ПтС, выполненную пс планарно-эпитаксиальной технологии
ПтС, выполненную пс планарно-эпитаксиальной технологии
〃 exec FFORTRAN
% 01нЖ ^呼。ПАЕН。傾х конденсаторов"
READ? i,2)К
、 DO 4 1 = i,к -
4 READ{ 1 ,1J c ( 1 )
2 FORMAT(I2)
.1 FORMAT(F5.0)
C!=37.
C2=10».
CO = 200 . Sc0 • DO 5 1 = 1，K CX = C1 】FIC ”)・CT ・CD)CX二C2 B=saRT(cti)/cx) 68?0.1*AINT(10.*B)
J 0X=S-B0“
IF(BX・GT・0・”)8B=B"0,i SA=BB**2・ 8H = B"0・6 SH=0H**2.
"BD-8B+1,0 SQ = 90**2 •
3 rnRMAT? 1} *РХ|В8 * s8 J0H» SHiBD,$n
BMTE(3,6)S
6 FORMAT(12X,*СУММА $D STOP END
Список идентификаторов, использовянныхв программе расчета толстопленочных конденсаторов
С(1) —емкость конденсатора G, 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.
ВВ, 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.
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 ВМС, 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 ” центов ИМС.
Пример 1, Комнлек. конструкторских документов на
3
1
fe
1
1
« 黎
潅
I
Й?
к?
欝 I-
遇 Й
Й
si Si
1! 覇考
遷§
4
葭
弋
Гх
Г
1-
3
d
鳶
Z
登
手
岩
1
Ji
II I'l
j! it &m
2
anHahu-Q X^D莒 HZ/ SXESEXS 工弓宫工 T xgzgtag戻a 孑工岩冒名巾口 §qHHQ N mm旨umd7 j ・wt 2 一qHB^^ § /w£n& <?7
8uo ни дазо&ый слои
g勿*
口
39
尸」
208
m
勿
□
47
□
唱
55
域
Координаты, мм
KODpdU- ноты, мкм
HpUME- чание
2
夕
夕
0
0
0
0
2
Z?
320
0
800
360
320
欽？
800
4
砍7
0
300
0
5
50
W5
725
2分;5
S
50
215
125
冲
7
16
215
190
磔
8
76
203
130
507,5
g
財
203
160
507,5
加
飾
709
150
522、5
56
203
/40
5223
56
〃7
/4，
282.5
73
62
/77
155
%Z5
存
62
105
155
阳§
Таблица mpduHai точек и^5..Лг.,62
I ”b%I SO 1琢12%[
7 ：G9 ；S8 2笈5 «2С
4 360 0 SOD О
2 J 320 0800
/0000
Вид на слой металлизации
лоорзи -
Kgp汕一 ниты, “м ~ГТ
Т^/шца координат ^е^
w*
/. ^Размеры 觎 триВак.
Z Конструктивное исполнение noчертежу 00М7.必 4 …цист /.
T KQHTp,
加“3切 I 20 1625 1%
// 須 46 225 /〃5
Ю 117 75侬 5 187,5
9 //7 〃6 ■爲Z5 295
《108 】】8 270 295
7 田8 85 270 212,5
5 50 85 /勿 2%5
5 50 45 WQ 〃*
^360 0800 0
J 360 3 300 800
320 0
B0M7.344
Кристалл
?〃？.刷 \Macwm、
4勿"
Листе I ^ucmss S '
3Z 二9JLL 120」.'WZQLZ 当豈/9, N'Rzzy* asssc qQgwq HHmdazEH 5、 •TmaduzgoNdaE WOQOEaw nyzDd ^§ Qq9 WDQiqg a n eul/DEandy 27* zx名*mu EiqHul上 BufHQXXqEHHnQaQDndu * s§ HnHpogou .*
.§№0 工岂工EOUEXWDd PQog-X 0SZ/B0七WOUQOU a f .00* ax羌ou ，—qqu ^SO§OE3 N qnued= ^s§ UUEU^Bdyl .f > 五aujh s ym^s 勿工二，uoq里言fiw-qalunu Z
Пример 2. Комплект конструкторских документов на толстопленочную ГИС, состоящий из: спецификации микросхемы, сборочного чертежа, принципиально! 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. 、
/7%
□й
手唾
-О/щг Dj
□5 П/4 □方□笈艮1 口%
"Ki fe
白®
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.
2IS
Позиционное обозна-
Наименование
1
Приме'
Резистор 22к0м^30 % 30 мВт
7
”22к0м^30% Юмвт
7
"7血饱土及7% 5mвt
7
”150 Ом ±25% ЮмВ/
7
%
” 22к0м±30% 扫мВт
/
J2 10к0п^30°/о 5 мВт
7
今
» 2,2к0м±30°/о 勿М57
7
弘纭 G
” ^5н0м± 30°/о 5мВт
2
Конденсатор 430пФ ±30%U[rl2B
/
0
7
味
”^0пФ±30% U产 12В
/
7
Транзистор КТ359 АБ... ТУ
4
A53. 4J0. 016. 33
МЗМ WCT
仅沥歹"
Подп.
纽力
Разраб.
Пров.
1 конто.
Микросхема К224ТС1 Схема зпентриуеская принципиальная
зСАобнае йЬозначе- ние слоя
Наимено- 'бание слоя
Материап споя
Электра ческие характеристики
Номер листа чертежа
Наименова ние.марка
ГОСТ^ 0CTf ТУ
та
ИроЗодники,^ тактные n/io- щаЗкццнижнИе Наладки кон- денсатора.
Паста ПП'З
ОСТ 11.013.
勿174
陥總缆
Диэлектрик
НКШЬЗО
ОСТ 11.073. g"一%
5
Верхние об- кладки кон- денсаторов
Паста ПП-2
ОСТ 1L 073.
々3-74
R/ 5 勿%
6
о
Резисти^ ньш спой
паста ПР-ЮО
OCT 1L 073. 023-7^
R脚0*
7
паста ПР-ЗК
%=3 口Mg
8
Пасто ПР-20К
R評也强
g
ТаЗлица 7
Позиционное обозначение
точки измерения
Расчетный номинал 〃 Запуск
.%
22KdM否％
伤
/4-77
初av您劣
Ra
5-8
Wv您%
R&
2~8
15你0总5%
聞
7"
Юк0м^25%
色
7-/6
?^0м±25%
伤
7-J
z〃加±万%
R«
6-8
15KOMt25%
饱
8-9
15KoM±25%
々
4-7
滋?70您%
&
5-6
82M 25%
0
/<
铝〃〃勿制%
4
5-7
82W±25%
1и6гшид 2
Z Плита доп/кна соотбетстбадать Г0СТ2789- X/.
^Размеры дпя справок.
J. Координаты 6勿心〃斤 злементоб %〃％ приведены
8 4 应 7%.£4 Тб. Допустимые предельные аткпонения размеров зивмент口6 %7“", кроме мест, оговоренный особо.
цифрами V^lS1 на листе3 аб'ознаиеныродиусы контактных ппощадок. Радиусы контактных площадок 〃,мм,
Злектриуеские характеристики и данные по изготовлению отдельных 夕勿勿 приведены d 例幽.
R ВЕпииинн сопротидлении резисторов м емкостей конденсатород доп^ны соотдетстбобать Мнннм, указанным 4 табл. Z
Z Отношение наминалаб резисторов 聞/% =RjR广】Hg；RJR产19 “九
8. Нумерация интактных площадок и обозначений знементаб показаны условно и соотЬетстбуют схеме зпектрицескои принципиальнойАВЗЛЮ.О^.ЭЗ.
加.
/“сг
心勿付".
noon.
зга
разт
J. контр.
м контр.
утв.
заготовка АБ7.817.08^-
АБ7. т0.334
Плата
I期伊山力），/*力』貯"w而4
о,бг\го：/
вид сзади
101112/3/41576〃18
困
杀 畲 杀■$■ 好.伞-ф- ф -ф
гау 莘 '►и
R&Zmax ^^iw кан呵回
Вид на слои，прободниками 〃 контактными площадками
к
Обозначение .элемента.
Номер дершины
Координата, мм
4
2
42
2,5
6
7 •
2
5,6
22
5E
н±и
*8.8tOJ~~
五2土以
17,6 ±0J
Разроо. Пров.
了3%
(ЦЕйИЗ!
ТГкт.
Ут8.
Г02
配
ж
АВ7. 8/7 06^-
Плата
Материал керамический22ХС А50.027.002 ТУ
масшг.
4 咽ГГ1
沁61 \nbcm曲 1
Z * Размеры 厥 спраЬок,
Z Расположение концов пластины 2
6 пределах контактных площадок регламентируется.
3. Допускается смещение дыба^од тран~ зистород относительно их контактных площадок на 次 диаметров %/例й?4
4 Паять ПОС-61 Г0СТ1Ч99-70,
Пайка транзисторов 3 должна дыдер- тбать нагрузку ЮОг 4 плоскости плоты.
Обозначение контактных площадок 〃 зпемент曲 показано условно.
На главном 勿曲 пластина 2 усподно заштрихована.
Вариант установки транзисторов # от.то.
2〃勿氏 02*4"
〃6土幻 %2±〃 —~&8±0J
0
5
4
0
纱喇
序1勿I川
R025
巨
2罐
4
43-4%
了азраб. Проб. Lkqh 邛.
Г02Г6
mW"一
4尸單
8x2,5 = 20
/ ^Размеры d〃月 справок.
^*Размеры 〃 шероховатость поверхностей после покрытия.
Размер 6 после покрытия 0.35max.
Неуказанные предельные отклонения размеров: охвать/дающих -по 〃也 охдать/даемых-no ЫЧ прочая .
Покрытие 〃б-3, Н2-3. Допускается покрытие Гор. ПОС-61,
A6 7. 725. 023
Пластина
^^?汤 9"76.
Латунь лента "3 Т-Н Гст208~70
o\ W!A5：1
fuia；1 j 施•/勿"
I■6風ii制®H班Ь"他"/
2
扌
0^
從24ZZ7
A
互
©
7阅園囱
困
囱眼
園
國
肾
Z ORpecsBa沼ь микросхему прессмагпериа/юм поз. 2 согласно ОСТ、
. Обрдбкд пластины элемента, произвести пасле опрессобки микросхемы.
^Размеры и шероховатость поберхнастей 胁 справок
V% Смещение осей. ЬыМов от номинального расположения 〃£ более Q,1 мм (допуск зависимый),
£ № плоскостях БиВ после обрубки, пластины элемента допускающей выступающие концы от перемычек не Шее 0,2 мм.
6.
仍〃7
2
8.
' 3.
У
Неуказанные предельные отклонения размеров： охватыкающих поН12}охваты8аемых noh Пррмх-■ф^ * Родиусы скруглений опрессоЬанных поверхностей микросхемы-а,5 мм max.R^2Q
Шероховатость опрессованных подерхностей микросхемы \/ Моркировать товарный знак предприятия методом прессования, Долусштся нанесение товарного знака ， предприятия эмалью 3(1-572 ТУ6-ЮЧ539-75Т2-
10. Моркиробать номер сопроводительного nucma^opHdKodbiu номер микросхемы. Шрифт 2 по Н0.0Ю.007,
〃.Нанести клеймо отк 〃〃“ предстабителл заказчика.
у/12. Маркиродать условное обозночение микросхемы. Шрифт 2 ПО H0.0W.007.
V 73. Маркировать год 〃 месяц изготобления микросхемы. Шрифт 7 ПО 〃〃 010.007.
74. Маркирование 〃 нлеймение по л.必〃 12 и 13 произ&ести Эмалью ЭИ-572 ТУ5TD7539 75Т2.
1
РозрзЬ.
Пров.
工 кантр.
Н. контр.
Утв.
Микросхема К22^С] Сборочный чертеж
/"47〃 015. С6
Aunt
масса
Macuim.
4
5：1
Аист / 1 Листов у
Позиционное обозначение
Наименование
§
Примечание
必
Резистор 工 8 кОм ± /5%
/
R?
”142 KoMt15%
/
%
”200K0Mt 10%
7
R“
*幺2 кОм ± /5 %
/
心
力1кОм± 15 %
/
Rr
力 (см. таS/i.)
7
戶7
12 кОм ±20%
7
为
外5 KqM ±20%
7
Rg
и1 кОм ±15%
/
п 1В Ем ±20%
7
&
„5к0м±20°/о
7
&
»750 Ом±Ю%
7
”12 КО Mt 20 %
7
械
】，〃2^”±2J%
/.
勺…，7
Конденсатор (см. таЕл.)
7
Транзистор 2Т331БХМ0.336. ТУ
2
7}
п (см. табл.)
7
4
“2T3I2B»K3J65J43N
/
行
，， (см.тиМ)
7
Обозначение
「2
4
勺
J
ИСК/1ЮЧ. злементы “ ебнзи
А52. 206.004
600t?0%
570±20%
1080^20%
30/20%
570±20%
脳±2〃％
■W±2〃％
2^OM±2O%
27319ГШ.ЗВ5.1МУ
-01
720^20%
690 ±20%
1250^20%
360 ±20%
690±20%
Ш±20%
650t20%
32KoM侬％
21319A)2
-02
900^20%
850^20%
Ш±20%
4 磔?〃％
85U±2。％
W±20^
m±m
5к0м±20%
2T3J95”
473
侧±20%
Ю8О±2О%
то±2о%
570t20%
1080 ±20%
2250t20%
900±2Q%
12KoM±20%
2T319B，，
分力0
方产豈
2〃-q/s
Ишционное обозначение
Точки измерений
Прадеряемый номинал и Зйпускземзе отклонение
Отношения мощностей
После г слоя
〃%〃 e 6 с пон
Пйсле 2 спон
После 6 слоя
23-24
3、6к0м±15%
9-23
^к0м±15а/о
lkKQMtl5°/0
8,9к0мИ5°/о
2-3
2-3
k,2^Mt2O°/o
42mMe 勿％
-8-9
20(1 Ом ±20 %
20Оам±2О°/о
2
О баз над чение
А57М
|f«№£Ti 4加〃，точках
4-9
4-23
罪◎侬%
〃嚼朋痂發嗨爲繚感夕""〃 "
勺
^олФ^д% ш?/7哂 现〃喇
-ог^воф^о%
^2™^Ж
4MmЛ7%
颇用加%
-"pWQf猊 №ipi28%
妣咏
иш^ад
°7«5
B(v)
Танина /
Услобное обозначение слоя .
Наименоба- ние слоя
Материал слоя
номер
листа чертежа
наименоЬа- 他弓"勿犯
ГОСТ, ОСГ, ТУ
оперев- "勿力«7- несения
З^гричес- КОЯ /"0〃斤一 lepucmuHQ
метод нанесения
EZZ3
Резистор
СпШ РС-3001
Н0071013ТУ
р~Ю000м^
Вакуумное напыление черезмас^у
2
尋
проводники и контактные площадка
X2QH3Q
I虱用心一58
7
讲"物
То附f
лолото 力 999.9
Г0Ж5-56
2
例例% а6- кладка км- денсатора
ШйН8ТЬ8
/"ZH 乃2"
7
纷級%
4
Алюминии АВ9
rocm-62
2
дизлеит- в ик
См.таблЗ
См.таМЗ
См.т^л.З
5
Вврхн&А М- кладка конденсатора
Алюминий А99
10CJ618-B2
伊4?物
5
「—】 LJ
Защитный слой
Фоторезист чегашвныи ФНЮЗ
一
Фотолитография
7
*/. РОз меры для справок.
£2 Злементы « слоях Выполнять по координатам, приведенным d таблицах на cooiberciдующих листах. Координаты даны В масштабе чертежа.
J. Площодь напыления золота ^5мм\шолщино напыления &4М、5мкм.
4. Внешний Вид плоты допоен соответспШоть треШанаям инструкции, A60.005.02L
^5.характеристики отдельных слоед приведены б тадл, f и 2.
* б.Значения зпектричесш сопротивленийрезистороЗ 〃 емштей конденсагоро8 должны сдотьетптШать данным, указанным 6 то5л. 3.
Z Знакоми ▼©-?▼© условно показаны месз резки прово^никоб (сдязвй) у указанных d 例7%.
* 8. Номера контактных площадок 〃 обозначения злементоЗ показаны условна 〃 соотдетстдуют схеме элЕктрической принципиальной
7 АБЗЛЗО.ОО^ЗЗ.
7^|7^ 駆哂期晔为% 歇勿喫行彻ЗЛ?爲Ж&Ж W^ 5W纽務依加喲
BW^5»M W^ «Ж
2ЙИЗД蜘叩加%
力例播 必例^ £侬f統 ^仙^
2,"
疗
而мМсба- ние спвя gMR/арик
Материал слоя
Наимов* у маски ноеНОкпи
『OCT、OCT,
Ш035.015ТУ
СтеклоСЧ-!
Зшгпрцческая троктемстика 中5呃叫№ Z^mn^JCMl
WW6g
С^16ШпФ/пм2
^20000лФ/см?
1 контр.
н. контр.
寂.
Mil
11Kl
А Б7.100.382
Плата
пит.
Касса
масшт.
200：/
ласт / J листов 7
Ситалп CT 50 ~ I mo. 027, 029
Обозначение элемента
номер _ ёершины
Координата, мм
1r
7
Резистор
2
/4
州7
4
2.82
/
496
12,69
2
4紡
/3,2
/
五2
4
〃5
瓜〃
5
%/
6
7“
7
Ц79
2
7,7，
12,05
万
3
2,05
72, 〃5
4
2.05
亿协
5
2,24
12,30
5
2,24
£
7
8,65 9J0
4,3夕
3,97
3,10
8,91 8f5
7
幺切
Ш
8,08 .
Г
5
5仞
8,08
4
5,00
8,33
5
5J3
0备备餃&NNC?谕汾斗然一7ZZ c^rkf Г&：?奋这00总让NN壬疋婷运'淹回工泸н 11z f 50备备餃&NNC?谕汾斗然一7ZZ c^rkf Г&：?奋这00总让NN壬疋婷运'淹回工泸н 11z f 5g <Т», опытных образцов (опытных партий)—литеры «01»,《。2》，《。3》，《。卩g <Т», опытных образцов (опытных партий)—литеры «01»,《。2》，《。3》，《。卩224224¥*гСтадии @ разработкиВид технологической документацииЛитерность технологических документовПрименение формы технологических документовПроекти-Эскизный про-《3》тиiрованиеОпытноеектТехнический проектРабочая доку-«Ор, 《О?》， 《Оз»,ТИ и другие формы СТД по усмотрению разработчикаФормы и положенияпроизводст-ментация опытного《。4》И Т. Д. при ПО-СТД по усмотрению раз-『陳вообразца (опытнойследующих изготов-работника в объеме, не-1 I ?1Установившееся серийное или массовое производствопартии)Документация установочной сериилениях и испытаниях опытного образца и соответствующей корректировке технологической документации для условий серийного производства《А»обходимом для организации серийного производстваДокументы и СТД, оформленные в виде основного или полного комплекта. Допускается сокращенное заполнение форм СТД¥*гСтадии @ разработкиВид технологической документацииЛитерность технологических документовПрименение формы технологических документовПроекти-Эскизный про-《3》тиiрованиеОпытноеектТехнический проектРабочая доку-«Ор, 《О?》， 《Оз»,ТИ и другие формы СТД по усмотрению разработчикаФормы и положенияпроизводст-ментация опытного《。4》И Т. Д. при ПО-СТД по усмотрению раз-『陳вообразца (опытнойследующих изготов-работника в объеме, не-1 I ?1Установившееся серийное или массовое производствопартии)Документация установочной сериилениях и испытаниях опытного образца и соответствующей корректировке технологической документации для условий серийного производства《А»обходимом для организации серийного производстваДокументы и СТД, оформленные в виде основного или полного комплекта. Допускается сокращенное заполнение форм СТДСтадии разработки и литерность технологических документовСтадии разработки и литерность технологических документов
0备备餃
&NNC?谕汾
斗然一
7ZZ c^rkf Г
&：?奋这00
总让NN壬疋婷运'淹回工泸
н 11
z f 5
0备备餃
&NNC?谕汾
斗然一
7ZZ c^rkf Г
&：?奋这00
总让NN壬疋婷运'淹回工泸
н 11
z f 5
g <Т», опытных образцов (опытных партий)—литеры «01»,《。2》，《。3》，《。卩
g <Т», опытных образцов (опытных партий)—литеры «01»,《。2》，《。3》，《。卩
224
224
¥
*г
Стадии @ разработки
Вид технологической документации
Литерность технологических документов
Применение формы технологических документов
Проекти-
Эскизный про-
《3》
ти
i
рование
Опытное
ект
Технический проект
Рабочая доку-
«Ор, 《О?》， 《Оз»,
ТИ и другие формы СТД по усмотрению разработчика
Формы и положения
производст-
ментация опытного
《。4》И Т. Д. при ПО-
СТД по усмотрению раз-
『陳
во
образца (опытной
следующих изготов-
работника в объеме, не-
1 I ?
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
¥
*г
Стадии @ разработки
Вид технологической документации
Литерность технологических документов
Применение формы технологических документов
Проекти-
Эскизный про-
《3》
ти
i
рование
Опытное
ект
Технический проект
Рабочая доку-
«Ор, 《О?》， 《Оз»,
ТИ и другие формы СТД по усмотрению разработчика
Формы и положения
производст-
ментация опытного
《。4》И Т. Д. при ПО-
СТД по усмотрению раз-
『陳
во
образца (опытной
следующих изготов-
работника в объеме, не-
1 I ?
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
Стадии разработки и литерность технологических документов
Стадии разработки и литерность технологических документов
ПРИЛОЖЕНИЕ II
Состав и литерность технологических документов
Технологическая документация на ИМС разрабатывается в соответствии с 卩 требованиями системы технологической документации (СТД).
На процессы изготовления микросхем, их сборки и герметизации состав* Шляется основная технологическая документация, обязательная для ведения тех- • дологического процесса, которая состоит из: спецификации технологической (СПТ); маршрутной карты технологического процесса (МК); операционной кар- 窜 ты технологического процесса (ТК) по видам работ; карты эскизов, схем и таб- 鎏『лиц (КЭ); карты раскроя материала (КР); технологической инструкции (ТИ); контрольной карты (КК) или маршрутно-контрольной карты (МКК).
Создание технологических документов производится на стадии разработки 点 эскизного проекта, технического проекта или рабочей документации (документа- 鄰 ции опытного образца или опытной партии, установочной серии, установившегося :蠹 серийного или массового производства). При этом технологическим документом '饕：эскизного и технического проектов присваиваются литеры соответственно «Э»,
и т. д・,после проведения установочной серии — литера 《А», установившегося серийного или массового производства ——литера《В».
По мере необходимости на процесс изготовления, сборки и герметизации ИМС разрабатывается вспомогательная технологическая документация, к которой относятся: перечень технологической докумёнтации (ПТД); ведомость оборудования (ВО); ведомость инструмента, оснастки и тары (ВИ).
Перечень разрабатываемых основной и. вспомогательной технологической
Продолжение табл, прилож. II
Стадии разработки
Вид технологической документации
Литерность технологических документов
Применение формы технологических документов
Документация установившегося серийного или массового производства
《5》
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 ГО.040.006—73.
ПРИЛОЖЕНИЕ III
Перечень основных стандартов
на ИМС
ОСТ 11.073.002—75. Микросхемы интегральные гибридные. Подложки и платы.*
ОСТ 11.073.042—75. Микросхемы интегральные. Габаритные чертежи.
ГОСТ 17.467—79. Микросхемы интегральные. Основные размеры.
у 4. ГОСТ 18472—78. Приборы полупроводниковые. Корпуса. Габаритные и присоединительные размеры.
ОСТ 11.073.011—75. Микросхемы интегральные. Корпуса. Общие технические условия.
ОСТ 11.0.000.028——73. Микросхемы интегральные. Правила выполнения конструкторской документации.
ОСТ 11.073.063—76. Микросхемы интегральные. Выбор и определение допустимых значений параметров, воздействующих технологических факторов при производстве РЭА на ИМС.
ГОСТ 17021——75. Микросхемы интегральные. Термины и определения.
ОСТ 11.073.915—80. Микросхемы интегральные. Классификация и система условных обозначений.
Ю. ОСТ 11.073.909—78. Микросхемы интегральные. Ленты-носители. Конструкция и размеры.
П. ОСТ 11.730.900—77. Микросхемы интегральные. Рамки выводные. Конструкция: размеры и технические требования.
Стандарт СЭВ. СТ СЭВ 299—76. Микросхемы интегральные для уст： ройств широкого применения. Общие технические требования. Методы испытаний и правила приемки.
Стандарт СЭВ. СТ СЭВ 1624—79. Микросхемы интегральные. Ряд питающих напряжений.
ГОСТ 21392—79. Изделия электронной техники для устройства широкого применения: механические и климатические воздействия. Классификация по условиям применения.
ОСТ 4.ГО.010.009. Аппаратура радиоэлектронная. Блоки и ячейки на микросборках и микросхемах. Конструирование.
ОСТ 4.ГО.010.043. Узлы и блоки радиоэлектронной аппаратуры на микросхемах. Микросборки. Установка бескорпусных элементов и микросхем. Конструирование.
OCT 4.ГО.010.202. Микросборки СВЧ-диапазона. Конструирование.
ОСТ 4.ГО.010.203. Микросборки СВЧ-диапазона. Корпуса. Элементы типовых конструкций. Конструирование.
'丿 19. ОСТ 4.ГО.014.000. Покрытия металлические и неметаллические органические. Выбор. Область применения и свойства.
ОСТ 4.ГО.014.002. Покрытия лакокрасочные. Классификация. Выбор. Свойства. Область применения.
2L ОСТ 4 ГО.029,003. Материалы полимерные для герметизации изделий радиоэлектронной аппаратуры.
ОСТ 4.ГО.029.204. Клеи. Выбор, свойства и область применения.
ОСТ 4.ГО.029.207. Материалы неорганические (стекло, керамика, ситал- лы). Руководство по выбору.
ОСТ 4.ГО.054.014. Узлы и блоки РЭА на ИМС. Типовые технологические процессы сборки.
ОСТ 4.ГО.054.204. Микросборки тонкопленочные. Типовые технологические процессы.
ОСТ 4.ГО.054.208. Микросборки СВЧ-диапазона. Сборка и герметизация. Типовые технологические процессы.
ОСТ 4.ГО.054.210. Склеивание металлических и неметаллических материалов. Типовые технологические процессы.
ОСТ 4.ГО.054.213. Герметизация изделий радиоэлектронной аппаратуры полимерными материалами. Типовые технологические процессы.
ОСТ 4.ГО.054.230. Пластмассы. Изготовление изделий методами прессования и пресс-литья. Типовые технологические процессы.
ОСТ 4.ГО.054.240. Микросборки. Платы толстопленочные. Типовые технологические процессы.
ОСТ 4.ГО.054.241. Микросборки. Герметизация сваркой. Типовые технологические процессы.
OCT 4ТО.070.026. Изделия электронной техники и микросборки для радиоэлектронной аппаратуры, разрабатываемой на базе комплексной миниатюризации. Общие технические требования.
ОСТ 4.ГО.071.200. Автоматизированная система технологического проектирования. Основные положения.
ОСТ 4.ГО.073.203. Микросборки корпусные. Конструирование. Обеспечение тепловых режимов.
ОСТ 4.ГО.091.273. Система автоматизированного проектирования. Информационная база. Микросборки. Язык и формы описания исходной информации для проектирования.
ОСТ 4.ГО.054.241. Микросборки. Герметизация сваркой. Типовой технологический процесс.
ОСТ 4.ГО.054.059. Герметизация малогабаритных изделий в металлостеклянных корпусах электродуговой сваркой в защитных газах. Типовой технологический процесс.
ОСТ 4.ГО.054.213. Герметизация изделий РЭА полимерными материалами. Типовой технологический процесс.
. ОСТ 11.054.271—80. Изделия электронной техники. Герметизация лазерной сваркой. Типовой технологический процесс.
ОСТ 4.ГО.054.036—78. Композиции токопроводящие и поглощающие полимерные. Покрытие и склеивание. Типовой технологический процесс.
ГОСТ 9.047—75. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Операции технологических процессов получения покрытий.
ГОСТ 19 789—80. Микросхемы интегральные аналоговые. Основные параметры.
ГОСТ 17447—72. Микросхемы интегральные для цифровых вычислительных машин и устройств дискретной автоматики. Основные параметры,
ГОСТ 24403—80. Микросхемы интегральные оптоэлектронные. Термины, определения и буквенные обозначения параметров.'
ГОСТ 22565—77. Микросхемы интегральные. Запоминающие устройства и элементы запоминающих устройств. Термины, определения и буквенные обозначения электрических параметров.
ГОСТ 19480—74. Микросхемы интегральные. Электрические параметры. Термины, определения и буквенные обозначения.
ГОСТ 23089—78. Микросхемы интегральные. Методы измерения электри* ческих параметров операционных усилителей. Общие положения.
ГОСТ 5458—75. Материалы керамические радиотехнические. Технические условия.
ГОСТ 13927—80. Материалы пьезокерамические. Технические условия.
ГОСТ 19604—74. Бор трехбромистый особой чистоты. Технические ус* ловия.
ГОСТ 19670—74. Фосфор треххлористый особой чистоты. Технические условия.
ГОСТ 24354—80. Приборы полупроводниковые визуального представления информации. Основные размеры.
ГОСТ 24352—80. Излучатели полупроводниковые. Основные параметры.
ГОСТ 23622—79. Элементы логических интегральных микросхем. Основные параметры.
ГОСТ 23448—79. Диоды полупроводниковые излучающие. Основные
размеры.
ГОСТ 23547—79. Коммутаторы оптоэлектронные. Основные параметры.
ГОСТ 15172—70. Транзисторы. Перечень основных и справочных пара* метров.
ГОСТ 15605—70. Диоды полупроводниковые. Перечень основных и справочных электрических параметров.
ГОСТ 21322—75. Изделия электронной техники для устройств широкого применения. Механические и климатические воздействия. Классификация по условиям применения.
ГОСТ 21518——76. Изделия электронной техники производствеино-техии- ческого назначения и народного потребления. Требования к сохраняемости и методы испытаний.
Единая система программной документации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Пономарев М. Ф. Конструкции и расчет микросхем и микроэлемев- тов ЭВА.—М.： Радио и связь, 1982.
Степаненко И. П. Основы микроэлектроники. — М.: Советское ра* дио, 1980.
Ермолаев Ю. П., Пономарев М. Ф., Крюков Ю. Г. Конструкции и технология микросхем. — М・：Советское радио, 1980.
Конструирование и расчет больших гибридных интегральных схем, микро« сборок и аппаратуры на их основе/Под ред, Б. Ф, В ы соц кого.— М.: Радио н связь, 1981.
Фомин А. В., Боченков Ю. И., С о р о коп уд В. А. Технология, надежность и автоматизация производства Б ГИС и микросборок.— М.: Радио
н связь, 1981.
Черняев В. Н. Технология производства интегральных микросхем.— М.: Энергия, 1977.
Ефимов И. Е., Горбунов Ю. И” Козырь И. Я. Микроэлектро* ника. — М.: Высшая школа, 1977, 1978.
Гребен А. Б. Проектирование аналоговых интегральных схем. ~ Мл Энергия, 1976.
Остапенко Г. С, Аналоговые полупроводниковые интегральные микросхемы.—М.: Радио и связь, 1981.
Курносов А, И., Юдин В. В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. — М・：Высшая школа, 1979,
Николаев И. М., Ф ил инюк Н. А. Микроэлектронные устройства и основы их проектирования. — М.: Энергия, 1979.
Малышева И. А. Технология производства микроэлектронных уст» ройств. — М.: Энергия, 1980.
Интегральные схемы иа МДП-приборах/Пер. с англ, под ред. А. Н. Кар* мазинского.~М.： Мир, 1975«
Волков В. А. Сборка и герметизация микроэлектронных устройств.— М.: Радио и связь, 1982.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 3
Введение、 5t
ЧАСТЬ I. КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ 11
Глава 1. Конструирование и технология полупроводниковых ИМС на биполярных транзисторах II
Элементы полупроводниковых ИМС на биполярных транзисторах .11 *
Изоляция элементов и технологические процессы производства ИМС 28
Конструирование и расчет параметров элементов ИМС на биполярных транзисторах .24 (
Разработка топологии ИМС 45
Глава 2. Конструирование и технология полупроводниковых ИМС на униполярных транзисторах 56
Механизм работы и классификация МДП-транзисторов 56
Особенности использования МДП-транзистора как типового схемного элемента ИМС 58
Технологические процессы производства МДП-ИМС 59
Основные параметры МДП-структур и МДП-транзисторов . . . .61
Режимы работы и связь между конструктивными и электрическими,
параметрами МДП-транзисторов в цифровых ИМС 66'
Конструирование транзисторов и топологии кристалла МДП-ИМС 75
Порядок расчета конструктивных и электрических параметров элементов МДП-ИМС 83
ЧАСТЬ П. КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ГИБРИДНЫХ ИН
ТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ 89
Глава 3. Конструирование и технология тонкопленочных ГИС 89
Подложки тонкопленочных ГИС 89
Материалы элементов тонкопленочных ГИС 91
Методы формирования конфигураций элементов тонкопленочных ГИС 98
Компоненты ГИС 101
Конструктивные и технологические ограничения при проектировании тонкопленочных ГИС 112
Расчет конструкций элементовтонкопленочных ГИС И7
Разработка топологиитонкопленочныхГИС 134
Глава 4. Конструирование и технология толстопленочных ГИС137
Платы толстопленочных ГИС 137
Пасты для толстопленочных ГИС 138
Основные технологические операции изготовления толстопленочных
ГИС、 141
Разработка топологии толстопленочных ГИС 146
Конструктивный расчет элементов толстопленочных ГИС 151
ЧАСТЬ III. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Глава 5. Конструктивные и технологические методы обеспечения требований к ИМС
Технические условия на ИМС
Конструктивные меры защиты ИМС от воздействия дестабилизирующих факторов
Обеспечение тепловых режимов работы ИМС
Обеспечение влагозащиты ИМС
Глава 6. Автоматизация конструирования ИМС
Специализированная система автоматического проектирования топо логии ИМС
Работа с системой «Кулон»
Использование ЭВМ для расчета элементов ГИС
Приложения
Приложение I. Примеры выполнения конструкторских документов ...
Приложение П. Состав и литерность технологических документов
Приложение III. Перечень основных стандартов на ИМС
155155155157173179184184190192207207225226229155155155157173179184184190192207207225226229Список литературы •
155
155
155
157
173
179
184
184
190
192
207
207
225
226
229
155
155
155
157
173
179
184
184
190
192
207
207
225
226
229
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 $。power.^
БВК 32.844К 65УДК 621.38БВК 32.844К 65УДК 621.38
БВК 32.844К 65
УДК 621.38
БВК 32.844К 65
УДК 621.38
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 (Таганрогскийрадиотехнический институт)
Конструирование и технология микросхем. Курсовое К65 проектирование: Учеб, пособие для вузов по спец.《Кон- струирование и производство радиоаппаратуры^ и《Кон- струирование 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 з:二二二二三' обеспечения их надежности, влагостойкости, тепловых режимов и др.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 з:二二二二三' обеспечения их надежности, влагостойкости, тепловых режимов и др.методыметоды2403000000—411001(01)—842403000000—411001(01)—84136—84136—84ББК 32.844 6Ф0.3ББК 32.844 6Ф0.3
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 з:二二二二三' обеспечения их надежности, влагостойкости, тепловых режимов и др.
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 з:二二二二三' обеспечения их надежности, влагостойкости, тепловых режимов и др.
методы
методы
2403000000—411
001(01)—84
2403000000—411
001(01)—84
136—84
136—84
ББК 32.844 6Ф0.3
ББК 32.844 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 поименения 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 к-нига 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 НМС более высоких степеней интеграции остаются теми же. Меняется лишь объем вычислительных -операций и появляется необходимость в исполь-
вариантоввариантовконструкции.для экономии времени при выполнении курсового привития навыков работы с вычислительной техникой пособии приводятся алгоритмы и программы .расчетов элементов ИМС на ЭВМ, а также сведения 。возможностях существующей специализированной системы автоматизированного про噴 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, требуе- мом 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 при-конструкции.для экономии времени при выполнении курсового привития навыков работы с вычислительной техникой пособии приводятся алгоритмы и программы .расчетов элементов ИМС на ЭВМ, а также сведения 。возможностях существующей специализированной системы автоматизированного про噴 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, требуе- мом 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 при-
вариантов
вариантов
конструкции.
для экономии времени при выполнении курсового привития навыков работы с вычислительной техникой пособии приводятся алгоритмы и программы .расчетов элементов ИМС на ЭВМ, а также сведения 。возможностях существующей специализированной системы автоматизированного про噴 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, требуе- мом 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 при-
конструкции.
для экономии времени при выполнении курсового привития навыков работы с вычислительной техникой пособии приводятся алгоритмы и программы .расчетов элементов ИМС на ЭВМ, а также сведения 。возможностях существующей специализированной системы автоматизированного про噴 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, требуе- мом 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 при-
зовашш машинных средств для поиска оптимальных
проекта и в учебном некоторых
меры 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 Н. И. Патриком, глава 2 — Н. 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, Н. 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 препо-' давателей и сотрудников кафедры микроэлектроники МИЭТ за полезные советы и помощь при написании и подготовке данного пособия.
Все замечания и пожелания, которые могут возникнуть при изу- иеннн и практическом .использовании данного пособия, просим направлять по адресу: 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., д. 29/14, издательство «Высшая школа》.