Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Эффективность производства и качество радиоэлектронной аппаратуры зависят от научно-технического уровня ее технологии, которая должна обеспечивать высокие параметры качества изделий. Технология интегральных микросхем и микропроцессоров стала существенной частью современного промышленного производства радиоэлектронной и электронной вычислительной аппаратуры. Вследствие сложности и многостадийности технология ИМС выделилась в самостоятельную научную дисциплину. Сегодня под технологией производства ИМС понимают совокупность технологических процессов изготовления, контрольно-измерительных операций, а также физических, химических и механических испытаний, осуществляемых с исходными материалами, полуфабрикатами или отдельными электронными элементами для получения ИМС как законченных изделий, обладающих заданными параметрами качества при приемлемых технико-экономических и социальных показателях.

Технические решения, воплощенные в ИМС, заключаются в большом числе электрических (электронных) схем, соединяющих отдельные элементы сложными связями, которые идут как по горизонтали, так и по вертикали. В результате проектирования появляется объемная электронная схема, геометрический рисунок которой именуется "топология интегральной микросхемы" (далее - "топология"). Топология ИМС по сути - воплощение электронной схемы на микроуровне в кристаллических структурах.

Основой для разработки топологии полупроводниковой ИМС являются электрическая схема, требования к электрическим параметрам и к параметрам активных и пассивных элементов, конструктивно-технологические требования и ограничения.

Разработка чертежа топологии включает в себя такие этапы: выбор конструкции и расчет активных и пассивных элементов ИМС; размещение элементов на поверхности и в объеме подложки и создание рисунка разводки (коммутации) между элементами; разработку предварительного варианта топологии; оценку качества топологии и ее оптимизацию; разработку окончательного варианта топологии. Целью работы конструктора при разработке топологии является минимизация площади кристалла ИМС, минимизация суммарной длины разводки и числа пересечений в ней.

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

Разработать на основе тонкопленочной технологии топологию и технологию изготовления бескорпусной интегральной микросборки, представленной на рис. 1.1. Выбор варианта курсовой работы произвести из приведенных ниже исходных данных.

1. Схемотехнические данные и используемые материалы

Микросборка (МСБ) - микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию и разрабатываемое для конкретной радиоаппаратуры с целью обеспечения комплексной микроминиатюризации последней. МСБ используются в радиоаппаратуре различного функционального назначения в качестве субблоков, блоков и отдельных устройств. В качестве основания в МСБ применяются в основном керамические или ситалловые подложки, на которых формируется пленочная конфигурация микросборки и устанавливаются различные компоненты (диоды, транзисторы, микросхемы и т.д.). По технологии изготовления МСБ не отличаются от пленочных и гибридных микросхем.

Исходными данными для разработки топологии МСБ являются:

- схемотехнические данные: электрическая схема и электрические данные;

- эксплуатационные данные и требования;

- технологические требования и ограничения;

- конструктивные данные и требования.

1.1 Схема микросборки, электрические и эксплуатационные данные

Электрическая схема МСБ изображена на рис.1.1:

Рис. 1.1

Исходные электрические и эксплуатационные данные и материалы приведены в табл. 1.1.1, 1.2.1…1.2.4.

табл. 1.1.1

Исходные данные
R1,кОм	1,85
R2,кОм	10,1
R3,кОм	13,61
Кол-во МСБ на подложке	2
С1,пФ	8814,29
С2,пФ	4667,21
С3,пФ	1848,08
Рабочее напряжение конденсатора Uр, В	3
Материал диэлектрика конденсатора	БСС
Мощность рассеяния резисторов Рi, мВт	7
Материал резисторов	Сплав МЛТ-3М
Допуски на номиналы резисторов и конденсаторов	?Ri = ?Ci = ± 10%
Погрешности
Погрешность воспроизведения поверхностного удельного сопротивления s, %	2
Погрешность сопротивления контактов Rк, %	2
Погрешность воспроизведения удельной емкости Co, %	2
Эксплуатационные данные
Интервал рабочих температур , 0С	- 30…+30
Время эксплуатации t, ч.	103

1.2 Материалы, используемые для разработки микросборки

табл. 1.2.1

Характеристики материалов тонкопленочных резисторов
Материал резистора	Сплав МЛТ-3М
Материал контактных площадок	Медь с подслоем нихрома
Удельное поверхностное сопротивление S, Ом/?	500
Температурный коэффициент сопротивления TKR, 1/град	±210-4
Удельная мощность рассеяния Р0, Вт/см2	2
Коэффициент старения резистора КстR, 1/ч.	±0,510-5
Способ нанесения пленок	Термическое напыление
Характеристики материалов тонкопленочных конденсаторов
Материал диэлектрика	Боросиликатное стекло(БСС)
Материал обкладок	Алюминий (Al)
Диэлектрическая проницаемость на частоте 1кГц	3,9…4,2
Удельная емкость С0, пФ/см2	1,5104
Тангенс угла диэлектрических потерь tg на частоте 1кГц	0,001
Температурный коэффициент емкости ТКС, град-1	0,210-4
Электрическая прочность Епр, В/см	(3…5)106
Коэффициент старения емкости КстC, 1/час	10-5
Способ нанесения пленок	Термическое напыление

табл. 1.2.2

Характеристики материала подложки
Материал	Ситалл СТ50-1
Класс чистоты обработки	13…14
Температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР (х107) при Т=20…3000С, 1/град	502
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м 0С)	1,5
Диэлектрическая проницаемость при f=1МГц и Т=200С	5…8,5
Тангенс угла диэлектрических потерь tg(х104) при f=1МГц и Т=200С	20
Объемное удельное сопротивление V при Т=250С, Омсм	-
Электрическая прочность Епр,	-

Материал для контактных площадок и проводников необходимо выбрать такой, чтобы:

1. Обладал высокой адгезией с подложкой.

2. Обеспечивал необходимую проводимость электрического тока.

3. Должен быть: химически инертным, стабильным.

Всеми перечисленными выше свойствами обладает алюминий с подслоем нихрома. Подслой нихрома обеспечивает особо прочное соединение с подложкой и последующими слоями, слой алюминия обеспечивает высокую проводимость, химическую инертность и стабильность.

табл. 1.2.3

Характеристики тонкопленочных проводников и контактных площадок
Материал подслоя	нихром Х20Н80
Толщина подслоя, мкм	0,01…0,03
Материал слоя, мкм	Медь МВ
Толщина слоя, мкм	0,6…0,8
Удельное поверхностное сопротивление S, Ом/?	0,02…0,04
Рекомендуемый способ контактирования внешних выводов	Сварка импульсным косвенным нагревом

Материал для защиты элементов выбирается по электрической прочности. Он должен обладать низким ТКС, малым tg и большим объемным сопротивлением. В соответствии с вышеизложенными требованиями выбираем негативный фоторезист ФН-108.

табл. 1.2.4

Характеристики материала, применяемого для защиты элементов
Материал диэлектрика	Негативный фоторезист ФН-108
Удельная емкость С0, пФ/мм2	12
Тангенс угла диэлектрических потерь tg на частоте f =1 кГц	0,01
Удельное объемное сопротивление V, Омсм	1012
Электрическая прочность Епр, В/см	105
Температурный коэффициент емкости ТКС при Т=-60…85С,1/град	510-4

1.3 Технологические требования и ограничения

Конструктивные данные характеризуют:

1) объем и форму гибридной ИМС;

2) размеры платы (подложки), число и расположение выводов;

3) размеры и способ монтажа компонентов;

4) способ монтажа ИМС в корпусе.

При проектировании топологии гибридной ИМС необходимо руководствоваться следующими требованиями.

1. Размер платы (подложки) ИМС выбирается в соответствии с типовыми размерами, габариты которых представлены в табл. 1.3. Платы с типоразмерами № 3…10 используются в стандартных корпусах, остальные - в бескорпусных ИМС и микросборках.

Типоразмеры плат (подложек) таб. 1.3

№ типоразмера	Ширина, мм	Длина, мм	№ типоразмера	Ширина, мм	Длина, мм	№ типоразмера	Ширина, мм	Длина, мм
1	96	120	8	12	6	15	8	15
2	60	96	9	10	16	16	8	10
3	48	60	10	10	12	17	24	60
4	30	48	11	5	6	18	20	45
5	24	30	12	2,5	4	19	20	45
6	20	24	13	16	60	-	-	-
7	16	20	14	32	60	-	-	-

2. Компоненты необходимо по возможности располагать рядами, параллельными сторонам платы и одинаково ориентированными.

3. Не допускается монтаж компонентов на пленочные конденсаторы и пересечения проводников.

4. Периферийные контактные площадки располагают по четырем или двум противоположным сторонам платы.

5. Шаг расположения контактных площадок соответствует ряду 0,625; 1,250 и 2,500 мм (для бескорпусной защиты) или расположению выводов корпуса (для корпусной защиты).

6. Пленочная и гибридная ИМС должны иметь ключ - увеличенную контактную площадку или специальный знак, который должен располагаться в левом нижнем углу на большей стороне платы, ключ вычерчивается в процессе проектирования топологии ИМС.

Пассивные элементы, к точности которых предъявляются жесткие требования, располагаются на расстоянии 500 мкм при масочном методе и 200 мкм при фотолитографии от краев и осевых линий прижимных перегородок.

Для совмещения элементов, расположенных в разных слоях, предусматривается перекрытие не менее 200 мкм при масочном и совмещенном методах и менее 100 мкм при фотолитографии.

1. Для измерения номиналов пленочных элементов и контроля режимов схемы предусматриваются контактные площадки размером не менее 200?200 мкм.

2. Минимально допустимое расстояние между пленочными элементами (в том числе, и контактными площадками) составляет 300 мкм при масочном методе и 100 мкм при фотолитографии.

3. Минимальное номинальное значение сопротивления пленочного резистора устанавливается в 50 Ом, при этом длина резистора не должна быть менее 100 мкм.

4. Минимально допустимая ширина пленочных резисторов составляет 100 мкм при масочном методе и фотолитографии и 50 мкм при танталовой технологии.

5. Нижняя обкладка конденсатора должна выступать за край верхней обкладки не менее чем на 200 мкм, диэлектрик должен выступать за край нижней обкладки не менее чем на 100 мкм (исключение составляют конденсаторы, образованные пересечением двух полосок).

6. Минимально допустимая ширина пленочных проводников составляет 100 мкм при масочном методе и 50 мкм при фотолитографии и танталовой технологии.

7. Минимально допустимое расстояние между пленочными элементами, расположенными в разных слоях, составляет 200 мкм при масочном и совмещенном методах и 100 мкм при фотолитографии и танталовой технологии.

8. Минимально допустимые размеры контактных площадок составляют: при приварке гибких выводов 200?150 мкм, для припайки 400?400 мкм.

9. Не рекомендуется проектировать пленочные резисторы с числом квадратов менее 0,1 и конденсаторы с площадями менее 0,5?0,5 мм и суммарной площадью более 2 см.

2. Разработка коммутационной схемы соединений

Нижеприведенные преобразования исходной электрической схемы ИМС и схематический план размещения элементов и соединений между ними на подложке ИМС на рис. 2.1 позволяют:

- упростить конфигурацию электрической схемы для уменьшения числа пересечений изгибов, получения прямых линий;

- выделить на преобразованной схеме пленочные и навесные элементы;

- обеспечить электрическую схему внутренними и внешними контактными площадками;

- расположить элементы и соединения с учетом равномерного распределения мощности рассеяния;

- расположить контактные площадки равномерно на поверхности подложки с учетом кратчайшего прохождения электрических сигналов с целью уменьшения их искажений.

Рис. 2.1

3. Расчет тонкопленочных элементов микросборки

3.1 Расчет тонкопленочных резисторов

Конструктивно пленочный резистор представляет собой резистивную пленку, нанесенную на соответствующую подложку и состыкованную с контактными площадками. Исходными данными для расчета тонкопленочных резисторов являются схемотехнические данные и данные по материалам (см. табл.1.1.1, 1.2.1…1.2.4).

Цель расчета - определение геометрических размеров и формы тонкопленочных резисторов, обеспечивающих получение резисторов с воспроизводимыми и стабильными параметрами.

Производится расчет коэффициента формы К_ф для определения степени сложности геометрической конфигурации резисторов. Величина К_ф рассчитывается по формуле:

Для R1:

Для R2:

Для R3:

Так как у первого резистора , то осуществляется расчет резистора прямоугольной конфигурации (рис. 3.1.1):



Рис.3.1.1

Так как у второго и третьего резисторов , то осуществляется расчет резистора формы типа «меандр» (рис. 3.1.2):

Рис.3.1.2

где:

P_i - мощность рассеяния резистора (7 мВт);

Р₀ - удельная мощность рассеяния материала пленки резистора (см. табл. 1.2.1).

Для R1:

Для R2:

Для R3:

Определяем расчетную ширину b_расч резистора по формуле:

где: - величина, обусловленная технологическими ограничениями

?

где: - погрешности, вызванные точностью изготовления геометрических контуров пленки, которые при масочном методе изготовления составляют ±10 мкм.

- допустимая погрешность коэффициента формы резистора, которая определяется из выражения:

,

где: погрешность номинала Ri. Берется из исходных данных.

- погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления;

- погрешность сопротивления контактов;

- относительное изменение сопротивления, рассчитывается по формуле:

,

где: коэффициент старения, характеризует временную нестабильность сопротивления, исходные данные (табл. 1.1.1), - время эксплуатации.

- относительная температурная погрешность, рассчитывается по формуле:

,

где: - температурный коэффициент сопротивления TKR, (см. табл. 4.2), ?Т= Т_В - Т_Н =30-(-30)= 60 - интервал рабочих температур.

Для R1:

Для R2:

Для R3:

Рассчитаем длину резистивной пленки для R₁:

,

Определим полную длину резистивной пленки дляR₁:

где e - размер перекрытия контактной площадкой резистивной пленки выбирается из технологических ограничений (при изготовлении резисторов масочным способом е ? 200).

Определяем оптимальное число звеньев n_опт «меандра»:

Значение n_опт рассчитывается, исходя из условия минимизации площади S_Ri «меандра». Минимальное значение S_Ri достигается при меандре квадратной формы, когда выполняются условия А=В и а = Ь_расч. В этом случае:

Для R2:

Для R3:

Рассчитаем шаг t одного звена меандра.

Величина t рассчитывается по формуле:

t = a + b_расч. = 2b_расч

Для R2: t =2·245=490 мкм

ДляR3: t =2·242=484 мкм

Определим габаритный размер А.

Значение А рассчитывается по формуле:

A = B = t n_опт. = 2b_расч.n_опт.

Для R2: А=490*2=980 мкм

Для R3: А=484*3=1452 мкм

Рассчитаем уточненный габаритный размер В=В₀.

Необходимость корректировки размера В вызвана следующими причинами. Величина В получена в предположении, что общая длина I резистивной пленки, свернутой в виде меандра и обеспечивающей достижение номинала сопротивления Ri , равна длине вытянутой прямолинейной полоски, т.е. I = b_расч К_ф. На самом деле, при свертывании прямолинейной полоски в меандр общее сопротивление резистивной пленки увеличивается из-за увеличения сопротивления R_H в местах прямоугольных изгибов. В связи с этим сопротивление меандра R_im превышает заданное номинальное значение сопротивления R_i, в связи с чем возникает необходимость в изменении геометрических размеров меандра. Корректировка осуществляется за счет изменения параметра В, оставляя неизменными ширину b_расч. резистивной пленки и размер А.

Уточненное значение размера В₀ определяется по следующей формуле:

B₀ = B - b_расч.[(m_и R_и /?_sn_опт.) - 2],

где m_и = 2n_опт.- 1 - число прямоугольных изгибов; R_и= 2,55?_s - сопротивление одного прямоугольного изгиба.

для R2: m_и = 2n_опт.- 1=2·2-1=3

В_о = 980-245· [(3·2,55/2)-2] =532.875 мкм

для R3: m_и = 2n_опт.- 1=2·3-1=5

В_о = 1452-242· [(5·2,55/3)-2] =907.5 мкм

Рассчитаем длину резистивной пленки меандра:

?_м = n_опт.(B₀ + b_расч.),

для R2: ?_м = 2· (532.875 +245)=1555.75 мкм,

для R3: ?_м = 3· (907.5 +242)=3448.5 мкм.

Определим полную длину резистивной пленки:

?_полн. = ?_м + 2e,

где e - размер перекрытия контактной площадкой резистивной пленки выбирается из технологических ограничений (е ? 200).

для R2: ?_полн. = 1555.75 + 2*200= 1955.75 мкм,

для R3: ?_полн. = 3448.5 + 2*200= 3848.5 мкм.

Рассчитаем габаритную площадь S_r, занимаемую меандром.

S_r=AB₀.

для R2: S_r = 980·532.875=522217.5 мкм² ? 0,00522175 см²

для R3: S_r = 1452·907.5=1317690 мкм² ? 0,0131769 см²

Определим площадь S_Ri резистивной пленки:

S_Ri = ?_полн. b_расч.

для R1: S_R1 = 1539.6·308=474196.8 мкм² ? 0,004741968 см²

для R2: S_R2 = 1955.75·245=479158.75 мкм² ? 0,0047915875 см²

для R3: S_R3 = 3848.5·242=931337 мкм² ? 0,00931337 см²

Определим мощность рассеяния P_Ri резистором:

,

где - удельная мощность рассеяния материала резистивной пленки, значение которой берется из табл. 4.2.

Для R1:

Для R2:

Для R3:

Определим коэффициент К_З запаса по мощности:

Для R1:

Для R2:

Для R3:

Для всех резисторов , следовательно, все резисторы удовлетворяют исходным требованиям минимально допустимой мощности рассеяния.

Определим общую площадь резисторов ИМС:

Общая площадь S_RIрезисторов, расположенных на подложке ИМС, рассчитывается по формуле:

где I - количество резисторов на подложке.

На подложке расположены резисторы R1, R2 и R3



После произведенных расчетов резисторы, расположенные на подложке ИМС, изображены на рис. 3.1.2 (масштаб 20:1):

Рис.3.1.2

3.2 Расчет тонкопленочных конденсаторов

Пленочный конденсатор представляет собой трехслойную структуру, нанесенную на диэлектрическую подложку. Первый слой - проводящий слой, являющийся нижней обкладкой конденсатора, второй слой представляет собой однослойный или многослойный диэлектрик, и третий слой - проводящий слой верхней обкладки конденсатора.

Цель расчета- определение геометрических размеров и формы тонкопленочных конденсаторов, обеспечивающих получение конденсаторов с воспроизводимыми и стабильными параметрами.

Для микросборки использованы конденсаторы квадратной формы (рис. 3.2.1):

Рис.3.2.1

Расчет толщины d диэлектрика конденсатора производится из условия обеспечения электрической прочности Е_пр:

Значение d определяется по формуле:

d = k₃U_p/E_np, [см],

где k₃ = 3 - коэффициент запаса,

U_p= 3 В - рабочее напряжение,

Е_пр= 3·10⁶ В/см - электрическая прочность для БСС.

Для всех конденсаторов: d = 3·3 / (3·10⁶) = 3см.

Определяем удельную емкость C_0d конденсатора, соответствующую требуемой электрической прочности:

C_0d= 0,0885?/d, [пФ/см²],

где d - толщина, см, ? = 3,9- диэлектрическая проницаемость на частоте 1кГц (см. табл. 1.2.1).

Для всех конденсаторов: C_od⁼ 0,0885·3,9/3·10^-6= 115050 пФ/см²

Расчет допустимой погрешности _Sдопплощади производится по формуле:

_Sдоп =_Ci- _Co -_Cт-_стC. ,

где: _Ci= ¦?Ci ¦ и _Со- допуск на номинал и погрешность воспроизведения удельнойемкости, значения которых приведены в табл. 1.1.1

_Ci= |±10%| = 0.1

_Со = 2% = 0.02

_Cт - температурная погрешность, которая рассчитывается по формуле:

_Cт =?_Ci ??

где: ?_Ci - температурный коэффициент емкости ТКС, характеризует отклонение ?C_i(?) емкости от номинального значения C_i в зависимости от изменения температуры ??. Значение ?_Ci является справочной величиной, ?_C1 = ?_C2= ?_C3=0,2· 10^-4 1/°С, ?Т=60°С- интервал рабочих температур.

_Cт = 0,2·10^-4·60 = 0.0012

_стC - погрешность обусловленная старением материалов, рассчитывается по формуле:

_стС = К_стС·?t.

где: К_стС - коэффициент старения емкости, характеризует изменение ?C_i (t) емкости C_i в зависимости от времени t, К_стс =10^-5 1/час, ?t - время эксплуатации конденсатора. ?t = 10³ часов.

_стС =10^-5·10³= 0,01

_Sдоп =_Ci- _Co-_Cт-_стC= 0,1-0,02-0,0012-0,01= 0,0688

Рассчитаем удельную емкость C_0S конденсатора, соответствующую допустимой погрешности площади _Sдоп конденсатора.

Для конденсатора прямоугольной формы с площадью верхней площадки S=A?B осуществляется по формуле:

C_0S = С_i(_Sдоп/A)² K_ф/ (1+K_ф)² ,[пФ/см²],

где К_ф = А/В - коэффициент формы конденсатора; А - большая сторона верхней обкладки конденсатора, [см];

?А=?В - ошибка (точность изготовления) линейных размеров, [см] (?А=?В=10 мкм = 0,001 см), при изготовлении геометрической формы обкладки конденсатора выбирается квадратной формы: А=В, величина К_ф=1 и, следовательно:

C_0S= С_i(_Sдоп/A)² / 4, [пФ/см²].

Для конденсатора Cl: C_0S = 8814,29 (0.0688/0,001)² /4 = 10430478,21пФ/см²

Для конденсатора C2: C_0S = 4667,21 (0.0688/0,001)²/4 = 5522989,6256пФ/см²

Для конденсатора C3: C_0S = 1848,08 · (0.0688/0,001)²/4 = 2186943,9488 пФ/см²

Определяем минимальную удельную емкость С_0m конденсатора, обеспечивающую заданное значение U_p, а также отвечающую требуемой величине _Ci =C_i, по условию:

C_0m = min{C_0d , C_0S},[пФ/см²].

Для конденсатора Cl: C_0m = min{115050, 10430478,21} = 115050 пФ/см²

Для конденсатора С2: С_0m= min{115050, 5522989,6256} = 115050 пФ/см²

Для конденсатора С3: С_0m= min{, 2186943,9488} = 115050 пФ/см²

Рассчитаем площадь S_Вверхней обкладки конденсатора:

S_в= C_i/ С_0m ,[см²]

Для конденсатора Cl :S_B= 8814,29 /115050= см²

Для конденсатора С2: S_B= 4667,21 /115050 = см²

Для конденсатора С3: S_B= 1848,08 /115050= см²

> 0.01 см² - диэлектрик удовлетворяет требуемым исходным данным.

Определяем габаритные размеры А_В и В_В верхней обкладки конденсатора.

Для конденсатора прямоугольной формы размеры обкладки определяются выбранным коэффициентом формы К_ф= А_в/В_в, задаваясь, с учетом технологических требований и ограничений, размером В_в. Тогда:

Так как выбран конденсатор квадратной формы, для которого К_ф =1 то:



Для конденсатора С1: см;

Для конденсатора С2: см.

Для конденсатора С3: см.

Рассчитываем габаритные размеры А_Н и В_Н нижней обкладки конденсатора.

Для конденсатора квадратной формы:

?_? = ?_? = ?_?+2?,

где: ? ? 200 мкм - технологическое ограничение на перекрытие обкладокконденсатора.

Для конденсатора С1: ?_? = ?_?= + · = см;

Для конденсатора С2: ?_? = ?_?= + · = см;

Для конденсатора С3: ?_? = ?_?= + ·= см;

Определяем габаритные размеры А_Д и В_Д диэлектрика.

Для конденсатора квадратной формы

А_Д = В_Д = А_Н+2g

где: g ? 100 мкм - технологическое ограничение на перекрытие нижней обмотки конденсатора диэлектриком.

Для конденсатора С1: А_Д = В_Д = + ·= см;

Для конденсатора С2: А_Д = В_Д = + ·= см;

Для конденсатора С3: А_Д = В_Д = + · = см;

Определяем площадь S_Ci, занимаемую конденсатором.

Площадь конденсатора определяется площадью диэлектрика:

S_Ci= S_д= А_Д ·В_Д

Для конденсатора Cl: S_С1= S_Д = = см²

Для конденсатора С2: S_С2 = S_Д = = см²

Для конденсатора С3: S_С3 = S_Д == см²

Расcчитаем добротность Q_iконденсатора по формуле:

Q_i = 1/tg_i,

гдеtg_i = tg_Д + tg_об;

tg_Д = 0,001 - тангенс угла диэлектрических потерь в диэлектрике на частоте 1кГц, который является постоянной справочной величиной, его значение берется из табл. 1.2.1;

tg_об - тангенс угла потерь в обкладках конденсатора, который определяется по формуле:

tg_об = 4C_i(r_в + r_н)/10¹²,

где f = 1000 Гц - частота, на которой измеряются потери; C_i - номинал емкости конденсатора [пФ];

r_в и r_н - сопротивления соответственно верхней и нижней обкладок конденсатора, [Ом], для конденсатора квадратной формы r_в = r_н = ?_Sобкл = 0,2 Ом/?, значение берется из табл.4.5 методических указаний (0.06…0.1). Для алюминиевых обкладок: Для конденсатора Cl:

Для конденсатора C2:

Для конденсатора C3:

Определим общую площадь конденсаторов на подложке ИМС.

Общая площадь S_CG тонкопленочных конденсаторов на подложке рассчитывается по формуле:

где G - количество конденсаторов на подложке ИМС.

см².

После произведенных расчетов конденсаторы, расположенные на подложке ИМС, изображены на рис. 3.2.2 (масштаб 20:1):



Рис.3.2.2

3.3 Расчет пленочных проводников и контактных площадок ИМС

Выбор материала проводников и контактных площадок производиться из табл. 1.2 и 1.5 в соответствии с вариантом. Для обеспечения высокой технологичности при производстве ИМС пленочные проводники и контактные площадки изготавливаются из одного и того же материала - алюминия с подслоем нихрома. Определение геометрических параметров соединительных проводников.

Длина l_inpi-гo проводника, соединенного с резистором номиналом R_i, определяется, исходя из условия:

R_iпр= _sпр?_iпр /b_iпрR_пр.доп = (0,1…0,2)R_iR_i,

где _sпр - удельное поверхностное сопротивление материала проводника _sпр= 0,1 Ом/?; b_iпр - ширина проводника; R_i - отклонение от номинала R_i, заданное в исходных данных (см. табл. 1.1).

Тогда:

?_iпр (0,1…0,2)b_iпрR_iR_i/_sпр.

Ширина b_iпр i-го проводника задается, исходя из условия, что b_iпр не более ширины резистивной пленки b_расч(см. формулу (4.13)) и соответствует технологическим ограничениям b_техн, т.е.

b_iпр = max {b_расч. , b_техн.},

b_np = max{242,}.

Ширина проводника выбирается равной мкм.

Подставляя значения b_пр, | ?R_i| и _sпр, получаем:

?_iпр 0,1*242*0,1*R_i/0,04

Для проводников R1: ?_1пр 60,5 ·1850 = 111925 мкм.

Для проводников R2: ?_2пр 60,5 ·10100 = 611050 мкм.

Для проводников R3: ?_3пр 60,5 ·13610 = 823405 мкм.

Для всех проводников, достаточно принять длину, равную ?_пр= 10 000 мкм.

Расчет ориентировочной габаритной площади S_iпр проводников прямоугольной формы производится по следующей формуле:

S_iпр = ?_iпр·b_iпр

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

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

S_Jnp = 7· (10 000?242) = 7*24200000мкм² = 1,694 см² .

Расчет геометрических размеров контактных площадок.

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

- "низкоомная проводящая пленка - низкоомная проводящая пленка", т.е. контакт "проводник - проводник",

- "резистивная пленка - низкоомная проводящая пленка".

К первому виду контактов относятся контакты типа "контактная площадка - обкладка конденсатора", " проводник - контактная площадка - проводник".

Для первого типа контактов выбор длины ?_пли ширины b_пл контактных площадок осуществляется, исходя из технологических ограничений и требований и выбираются равными 500?500 мкм.

Для второго типа контактов величина b_iпл(i - номер контактной площадки, соединенной с i-м резистором) выбирается с учетом технологических ограничений при совмещении разных слоев, т.е.

b_iпл. = b_Ri.+2·200

Для контактных площадок R1: b_1пл = b_R1+ 2·200=308+2·200=708 мкм.

Для контактных площадок R2: b_2пл = b_R2+ 2·200=245+2·200=645 мкм.

Для контактных площадок R3: b_3пл = b_R3+ 2·200=242+2·200=642 мкм.

Для всех контактных площадок b_iпл выбирается равным 710 мкм.

?_iпл рассчитывается, исходя из условия

R_iплRкR_i/2,

где R_i и R_iпл - номиналы сопротивления i-го резистора и сопротивление i-й контактной площадки соответственно; _Rк - погрешность переходного сопротивления области контакта “резистор - контактная площадка”, которая составляет _Rк 2 % (см. исходные данные в табл. 1.1.1).

Используя формулу

R_iпл= _sпл ?_iпл/ b_iпл ,

где _sпл = _sпр., получим соотношение для определения ?_iпл.:

?_iпл.b_iпл.RкR_i/(_sпр·2).

Для контактных площадок R1: ?_1пл710·0,02·1850/(0,04·2) = 328375 мкм.

Для контактных площадок R2: ?_2пл710·0,02·10100/(0,04·2) = 1792750мкм.

Для контактных площадок R3: ?_3пл710·0,02·13610/(0,04·2) = 2415775 мкм.

С учетом технологических ограничений ?_iплвыбирается из условия

?_техн. ?_iпл. b_iпл.Rк(R_i/_sпр)·2

200 ?_iпл. 328375

Для всех контактных площадок ?_пл выбираем равной 300 мкм.

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

где Q - количество контактных площадок.

S_Qпл= 6[контактные площадки: резистор - проводник]

+ 8 [контактные площадки: проводник - проводник]

+ 3 [контактные площадки: для припайки выводов]

S_Qпл= 6·(710?300)+8·(500?500)+3·(500?500) = 4028000 мкм²= 0,04028 см².

После произведенных расчетов контактные площадки, расположенные на подложке ИМС, изображены на рис. 3.4.1 (масштаб 20:1).

рис. 3.4.1

3.4 Определение общей площади тонкопленочных элементов и выбор типоразмера подложки микросборки

Расчет общей площади S_?, занимаемой пленочными элементами, проводниками и контактными площадками:

S= S_RI + S_CG + S_пр + S_Qпл ,

где S_RI, S_CG, S_при S_Qпл - общие площади резисторов, конденсаторов, проводников и контактных площадок.

S= + + 1,694 + 0,04028 = 1,974033808см²

Определяем необходимую площадь S_п подложки:

S_п = S/k_s,

Где k_s = (0,4.. .0,6) - выбираемый коэффициент использования подложки.

S_n =2*1,974033808/0,4=10см²

Из табл. 1.3 по данным расчетов выбран ближайший типоразмер подложки: № 4 (48?30 мм, S = 14,4см²).

4. Разработка топологии ИМС

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

1) разработанная коммутационная схема соединений - преобразованная электрическая схема ИМС, (представленная на рис.2.1);

2) рассчитанные в пп. 3.1..3.4 геометрические размеры тонкопленочных элементов (резисторов, конденсаторов, проводников и контактных площадок);

3) размеры подложки;

4) технологические, электрические (схемотехнические), эксплуатационные и конструктивные данные, требования и ограничения, описанные в соответствующих разделах.

5.Разработка технологии изготовления микросборки

Основные технологические операции при производстве гибридных ИМС

При производстве различных типов гибридных интегральных микросхем технологический процесс может содержать различные операции.

Основные операции при производстве гибридных ИМС:

- Получение подложки;

- Очистка подложки от химических и физических загрязнений;

- Нанесение резистивной пленки;

- Нанесение проводящей пленки;

- Фотолитография и травление;

- Лужение контактных площадок;

- Контроль и подгонка резисторов;

- Установка и распайка компонентов;

- Установка платы в корпус и распайка выводов;

- Герметизация;

- Выходной контроль;

Рассмотрим более подробно эти операции.

Получение подложки

Конструктивной основой гибридных ИМС является изоляционная подложка, которая существенно влияет на параметры пленочных элементов и на надежность микросхемы.

Подложка для пленочной микросхемы должна обладать хорошими диэлектрическими, механическими и температурными свойствами, т.е. подложка должна иметь малый температурный коэффициент линейного расширения, высокую механическую прочность, большое удельное сопротивление.

Материал, используемый для изготовления подложек, должен иметь однородный состав, гладкую поверхность (с чистотой обработки по 12--14-му классу), обладать высокой электрической и механической прочностью, быть химически инертным, обладать высокой теплостойкостью и теплопроводностью, коэффициенты термического расширения материала подложки и осаждаемой пленки должны быть близки по значению. Вполне понятно, что практически почти невозможно подобрать материалы для подложек, которые в равной степени удовлетворяли бы всем перечисленным требованиям.

В качестве подложек для гибридных ИС используют ситалл, фотоситалл, высокоглиноземистую и бериллиевую керамику, стекло, поликор, полиамид, а также металлы, покрытые диэлектрической пленкой.

Ситаллы--это стеклокерамические материалы, получаемые путем термообработки (кристаллизации) стекла. Большинство ситаллов получено в системах Li₂О-Аl₂О₃-SiO₂-ТiO₂ и RО-Al₂О₃-SiO₂-ТiO₂ (КО типа СаО, МgО, ВаО).

В отличие от большинства высокопрочных тугоплавких кристаллических материалов ситалл обладает хорошей гибкостью при формировании. Его можно прессовать, вытягивать, прокатывать и отливать центробежным способом, причем он выдерживает резкие перепады температуры. Он имеет низкие диэлектрические потери, по электрической прочности не уступает лучшим сортам вакуумной керамики, и по механической прочности в 2--3 раза прочнее стекла. Ситалл не порист, газонепроницаем и имеет незначительное газовыделение при высоких температурах.

Поскольку по своей структуре ситаллы многофазны, то при воздействии на них различных химических реактивов, применяемых, например, для очистки поверхности подложки от загрязнений, возможно глубокое селективное травление отдельных фаз, приводящее к образованию резкого и глубокого рельефа на поверхности подложки. Наличие шероховатостей на поверхности подложки снижает воспроизводимость параметров и надежность тонкопленочных резисторов и конденсаторов. Поэтому для уменьшения высоты и сглаживания краев микронеровностей иногда на подложку наносят грунтующий слой из материала, обладающего хорошими диэлектрическими и адгезионными свойствами, а также однородной структурой (например, слой моноокиси кремния толщиной в несколько микрон).

Очистка подложки от химических и физических загрязнений.

Этот этап производства включает в себя следующие операции:

- шлифовка;

- полировка;

- обезжиривание;

- промывка в особо чистой воде;

Шлифовка и полировка диэлектрической подложки необходимы для получения ровной поверхности. При неровной поверхности на подложке скапливаются различные вещества, ухудшающие диэлектрические свойства подложки, кроме того, при тонкопленочной технологии, неровность подложки приведет к дефектам напыляемых пленок. Также, от качества поверхности и её чистоты зависят адгезионные свойства подложки (способность обеспечивать крепкое соединение с наносимыми пленками).

При обезжиривании используются различные растворители - органические соединители, способные растворять жиры, масла, воски, смолы, углеводороды (бензол, толуол, ксилол) или их смеси (бензин, лигроин, керосин, скипидар), а также используются различные спирты и некоторые другие растворители.

Для окончательного удаления загрязнений и самих растворителей, используется промывка в воде. Так как в воде растворимы многие соли, оксиды, кислоты и щелочи, природная вода никогда не может быть совершенно чистой и не может быть использована для отмывки пластин. Для этих целей используется особо чистая вода: дистиллированная - для предварительной отмывки и деионизованная (ионообменная) для заключительной.

Дистиллированная вода, получаемая многократной дистилляцией, содержит небольшое количество примесей (сухой остаток равен 5мг/л) и её электрическое сопротивление не превышает 100 кОмсм.

Деионизованную воду получают методом ионного обмена, сущность которого состоит в том, что в системе вода-ионит происходит обмен ионами. В воде всегда содержатся катионы железа, меди, кальция и т.п. и анионы хлоридов, сульфидов, бикарбонатов. Для очистки воды от них используют иониты - специальные катионовые и анионовые смолы. Удельное сопротивление деионизованной воды марки А -20 Момсм, а марки Б - 1 Момсм.

Нанесение резистивного и проводящего слоев

После очистки подложки на неё наносится резистивный, а затем проводящий слой.

Основными методами нанесения тонких пленок в технологии ИМС являются: термическое испарение в вакууме, катодное, ионно-плазменное и магнетронное распыления.

Термическое испарение в вакууме 10^-3 - 10 ^-4 Па предусматривает нагрев материала до температуры, при которой происходит испарение, направленное движение паров этого материала и его конденсация на поверхности подложки. Рабочая камера вакуумной установки (рис. 5.1.1, а) состоит из металлического или стеклянного колпака 1, установленного на опорной плите 8. Резиновая прокладка 7 обеспечивает вакуум-плотное соединение. Внутри рабочей камеры расположены подложка 4 на подложкодержателе 3, нагреватель подложки 2 и испаритель вещества 6. Заслонка 5 позволяет в нужный момент позволяет прекращать попадание испаряемого вещества на подложку. Степень вакуума в рабочей камере измеряется специальным прибором - вакуумметром.

Катодным (ионным) распылением (рис. 5.1.1, б) называют процесс, при котором в диодной системе катод-мишень 9, выполненный из распыляемого материала, оседающие в виде тонкой пленки на подложке 4. Ионизация инертного газа осуществляется электронами, возникающими между катодом-мишенью 9 и анодом 10 при U= 3-5 кВ и давлении аргона 1-10 Па.

Рис. 5.1.1 Методы осаждения тонких пленок

а) - термическое испарение в вакууме; б) - катодное распыление; 1 - колпак; 2 - нагреватель подложки; 3 - подложкодержатель; 4 - подложка; 5 - заслонка; 6 - испаритель; 7 - прокладка; 8 - опорная плита; 9 - катод-мишень; 10 - анод

Получение необходимого рисунка пленочных элементов

Необходимая конфигурация пленочных элементов формируется в результате использования следующих наиболее распространенных методов:

съемной (свободной) и контактной маски,

фотолитографии,

комбинированного метода, основанного на одновременном использовании двух предыдущих способов.

После нанесения на подложку резистивного и проводящего слоя подложка имеет вид, представленный на Рис. 5.1.2.

Рис. 5.1.2

Необходимо получить определенный рисунок из этих слоев на поверхности подложки (например, для того, чтобы получить пленочный резистор, конфигурация слоев должна соответствовать Рис. 5.).

Рис. 5.1.3

Для получения необходимого рисунка слоев служат операции литографии и травления. В процессе литографии на поверхности в соответствии с необходимой топологией схемы формируется защитная маска. Слово “литография” дословно переводится как рисунок на камне (лито - камень, граф - рисунок). При операции травления участки схемы, не защищенные маской, удаляются.

Количество операций литографии и травления зависит от количества слоев. Вообще говоря, в технологии микроэлектронных устройств литографические процессы наиболее часто повторяемы.

Литографические процессы формируют на поверхности слой стойкого к последующим технологическим воздействиям материала (защитную маску). Для этих целей на поверхность последнего напыленного слоя наносится материал, который способен под действием облучения определенной длины волны необратимо изменять свои свойства и, прежде всего стойкость к проявителям. Этот материал носит название “резист”. Резистный слой, локально облученный с помощью шаблона, обрабатывают в проявителе, где в результате удаления локальных участков получают резистивную маску, т.е. защитный рисунок.

Таким образом, литография - это совокупность фотохимических процессов, в которых можно выделить три основных этапа:

- формирование на поверхности материала слоя резиста;

- передача изображения с шаблона на этот слой (экспонирование);

- получение маски из резиста совпадающей по конфигурации с элементами схемы (проявление).

После получения защитной маски происходит операция травления, в результате которой участки проводящего и резистивного слоя, не покрытые защитной маской, удаляются в специальном растворе. Операции литографии и травления поясняет Рис. 5.1.4. На этом рисунке отображены следующие этапы литографии и травления:

1-исходная заготовка (подложка с резистивным и проводящим слоями),

2-после нанесения резиста и его сушки,

3-экспонирование через шаблон 8 (1-ая литография),

4-после проявления резиста, удаления необлученных участков резиста и задубливания облученных участков резиста,

5-после удаления проводящего и резистивного слоев, не защищенных маской (травление) и удаления облученных участков резиста,

6-повторное нанесение резиста;

Затем повторяются операции экспонирования (но уже через шаблон 9),

удаление необлученных участков резиста,

травление только проводящего слоя, удаление облученных участков резиста,

7 - конфигурацию пленочного резистора,

10-вид сверху.

В зависимости от длины волны применяемого излучения различают оптическую (фотолитография), рентгеновскую, электронную и ионную литографии. Причем, чем меньше длина волны, тем меньшие размеры элементов можно получить.

Фотолитография может быть контактной (шаблон при переносе изображения приводится в плотный контакт с фоторезистом), бесконтактной (на микрозазоре) и проекционной.

Рис. 5.1.4

При изготовлении данной ИМС целесообразно применить комбинированный метод, основанный на использовании принципов масочного и фотолитографического методов.

В этом методе масочный способ применяется для изготовления пленочных конденсаторов, а фотолитография используется для формирования конфигурации резисторов, проводников и контактных площадок. Типовой технологический процесс данного метода состоит из следующих технологических циклов:

первый цикл - напыление на ситалловую подложку (СТ 50-1), первого сплошного резистивного слоя;

второй цикл - нанесение поверх первого слоя второго слоя материала проводников и контактных площадок (см. рис. 5.1.1, б);

третий цикл - первая фотолитография для формирования конфигурации проводников и контактных площадок;

четвертый цикл - вторая фотолитография для формирования пленочных резисторов;

пятый цикл - используется метод съемной маски в непрерывном вакуумном процессе напыления нижних обкладок конденсаторов, диэлектрика конденсаторов, верхних обкладок конденсаторов (см. рис. 5.1.1, а), а также формируется через соответствующую съемную маску защитный диэлектрический слой ИМС (в данном случае выбран негативный фоторезист ФН-108с характеристиками, приведенными в таб. 1.2.4).

Заключительные технологические операции

После получения необходимого рисунка следуют заключительные операции:

- Лужение контактных площадок;

- Контроль и подгонка резисторов;

- Установка и распайка компонентов;

- Установка платы в корпус и распайка выводов;

- Герметизация;

- Выходной контроль.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для современного этапа развития интегральной электроники характерны тенденции дальнейшего повышения рабочих частот и уменьшения времени переключения, увеличения надежности, снижения затрат на материалы и процесс изготовления ИС.

Снижение стоимости ИС требует разработки качественно новых принципов их изготовления с использованием процессов, в основе которых лежат близкие по характеру физико-химические явления, что, с одной стороны, является предпосылкой для последующей интеграции однородных технологических операций производственного цикла и, с другой стороны, открывает принципиальные возможности управления всеми операциями от ЭВМ. Необходимость качественных изменений в технологии и технического перевооружения отрасли диктуется также переходом к следующему этапу развития микроэлектроники -- функциональной электронике, в основе которой лежат оптические, магнитные, поверхностные и плазменные явления, фазовые переходы, электронно-фононные взаимодействия, эффекты накопления и переноса заряда и др.

Критерием «прогрессивности» технологического процесса наряду с улучшением параметров и характеристик самого изделия является высокая экономическая эффективность, определяемая рядом частных, взаимосвязанных критериев, обеспечивающих возможность построения комплектов полностью автоматизированного высокопроизводительного оборудования с длительным сроком эксплуатации.

Наиболее важными частными критериями являются:

- универсальность, т. е. возможность проведения всего (или подавляющего числа операций) производственного цикла с помощью одних и тех же технологических приемов;

- непрерывность, являющаяся предпосылкой для последующей интеграции (объединения) целого ряда технологических операций производственного цикла, сочетаемая с возможностью использования одновременной групповой обработки значительного количества изделий или полуфабрикатов;

- высокая скорость проведения всех основных операций технологического процесса или же возможность их интенсификации, например, в результате воздействия электрических и магнитных полей, лазерного излучения и др.;

- воспроизводимость параметров на каждой операции и высокий процент выхода, как полуфабрикатов, так и годных изделий;

- технологичность конструкции изделия или полуфабриката, соответствующая требованиям автоматизированного производства (возможности автоматизированной загрузки, базирования, монтажа, сборки и др.), что должно найти свое отражение в простоте формы, а также ограниченности допусков на габаритные и базовые размеры;

- формализация, т. е. возможность составления (на основе аналитических зависимостей параметров изделия от параметров технологического процесса) математического описания (алгоритма) каждой технологической операции и последующего управления всем технологическим процессом с помощью ЭВМ;

- адаптивность (жизненность) процесса, т. е. способность длительного существования в условиях непрерывного появления и развития новых конкурентоспособных процессов и возможность быстрого перестраивания оборудования под изготовление новых видов изделий без существенных капитальных затрат.

Большинству из перечисленных критериев удовлетворяют процессы, использующие электронные и ионные явления, происходящие в вакууме и разреженных газах, с помощью которых можно производить:

- ионное распыление металлов, сплавов, диэлектриков и полупроводников с целью получения пленок различной толщины и состава, межсоединений, емкостных структур, межслойной изоляции, межслойной разводки;

- ионное травление металлов, сплавов, полупроводников и диэлектриков с целью удаления отдельных локализованных участков при получении конфигурации ИС;

- плазменное анодирование с целью получения окисных пленок;

- полимеризацию органических пленок в местах, облученных электронами, с целью получения органических изоляционных слоев;

- очистку и полировку поверхности подложек;

- выращивание монокристаллов;

- испарение материалов (в том числе тугоплавких) и перекристаллизацию пленок;

- микрофрезерование пленок;

- микросварку и микропайку с целью подсоединения выводов ИС, а также герметизацию корпусов;

- бесконтактные методы контроля параметров ИС.

Общность физико-химических явлений, на которых базируются перечисленные процессы, показывает принципиальную возможность их последующей интеграции с целью создания новой технологической базы высокопроизводительного автоматизированного производства интегральных схем и приборов функциональной электроники.