Разработка конструкции и технологии изготовления усилителя низкой частоты в интегральном исполнении

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

на тему: "РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УСИЛИТЕЛЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ В ИНТЕГРАЛЬНОМ ИСПОЛНЕНИИ"

по дисциплине: "Технология и конструирования МС и МСб "

Содержание

Реферат

Введение

1. Анализ технического задания

1.1 Состав технического задания

1.1.1 Электрические требования

1.1.2 Конструктивные требования

1.1.3 Производственно-технологические требования

1.1.4 Эксплуатационные требования

1.1.5 Дополнительные требования

1.2 Обеспечение технических требований

1.3 Анализ элементной базы

2. Выбор и обоснование выбора материалов

2.1 Резистивные материалы

2.2 Проводниковые материалы

2.3 Материал подложки

3. Расчет конструкции платы

3.1 Расчет геометрических размеров плёночных резисторов

3.1.1 Расчёт коэффициента формы низкоомных резисторов

3.1.2 Расчёт коэффициента формы высокоомных резисторов

3.1.3 Расчёт геометрических размеров низкоомных резисторов с Кф<1

3.1.4 Расчёт геометрических размеров резисторов с Кф>1

3.2 Конструкторско-технологические требования к навесным компонентам

3.3 Расчет и выбор типоразмера платы

4. Разработка схемы коммутации и анализ качества топологического чертежа

5. Расчет конструкции корпуса

5.1 Расчет типоразмера корпуса

5.2 Обоснование выбранной конструкции корпуса

5.2.1 Описание конструкции корпуса

5.2.2 Характеристика материалов корпуса

5.3 Выбор и обоснование метода герметизации

5.4 Контроль герметичности корпуса

6. Выбор и обоснование выбора методов

6.1 Микроконтактирования навесных компонентов

6.2 Контактные площадки платы и выводов корпуса

7. Разработка маршрутных технологических процессов изготовления ГИС

7.1 Технологический процесс изготовления платы

7.2 Технологический процесс изготовления сборки ГИС

8. Описание технологии. Выбор и обоснование выбора оборудования

8.1 Описание разработанной маршрутной технологии изготовления ГИС

8.2 Выбор и обоснование выбора соответствующего технологического оборудования

8.3 Технические характеристики используемого оборудования

Выводы

Перечень ссылок

Реферат

Объект исследования - конструкция и технология изготовления усилителя низких частот в интегральном исполнении.

Методы исследования: аналитический, графоаналитический, по нормативно-технической документации.

Цель работы -- приобрести навыки самостоятельного решения инженерных задач по разработке конструкции и технологии микросхем.

В данной работе пройдены все этапы проектирования: от анализа технического задания до выпуска конструкторской и технологической документации для производства усилителя низкой частоты в интегральном исполнении. Основными этапами является: выбор материалов пленочных резисторов, проводников, подложки, расчет размеров пленочных резисторов, а также выбор конструкции корпуса, навесных компонентов и технологического оборудования. Разработана топология платы, технологический процесс изготовления платы и сборки всей МКС на основе типовых технологических процессов.

МИКРОСХЕМА, РЕЗИСТОР, ПОДЛОЖКА, ТИПОРАЗМЕР ПЛАТЫ, КОРПУС, НАВЕСНОЙ КОМПОНЕНТ, МИКРОКОНТАКТИРОВАНИЕ, ГЕРМЕТИЗАЦИЯ, ТЕХПРОЦЕСС.

Введение

В настоящее время наблюдается значительное расширение применения в приборах и средствах автоматизации элементной базы повышенной надежности и быстродействия, микросхем большой функциональной сложности и высокой степени интеграции [1]. Накоплен достаточный опыт в технологии микроэлектронных изделий, для того чтобы определить, какой из конструктивно-технологических вариантов больше всего соответствует данному типу схемы.

В данной работе разработаны конструкция и технология изготовления усилителя низких частот в виде ГИС. Гибридная пленочная интегральная микросхема (ГИС) - ИМС, которая наряду с пленочными элементами, полученными с помощью интегральной технологии, содержит компоненты, имеющие самостоятельное конструктивное оформление. В зависимости от метода нанесения пленочных элементов на подложку различают тонкопленочные (напыление в вакууме) и толстопленочные (трафаретная печать) гибридные ИМС. Выбор именно такого конструктивно-технологического варианта обусловлен следующими причинами:

Во-первых, наиболее подходят для изготовления по тонкопленочной технологии микросхемы, в которых число пассивных элементов намного превышает число активных, каковой и является данная разработка.

Во-вторых, пленочные и навесные резисторы и конденсаторы обычно имеют допуски, диапазон параметров, температурные коэффициенты и некоторые другие свойства лучшие, чем в полупроводниковых интегральных микросхемах.

В-третьих, цена оборудования, необходимого для производства тонкопленочной гибридной микросхемы определенного типа, значительно меньше, чем для производства полупроводниковой схемы того же типа. Поэтому то минимальное количество схем, при котором производство становится рентабельным, также оказывается меньше при гибридно-пленочной технологии чем при полупроводниковой. Этот фактор имеет место, т. к. в данном случае производство является мелкосерийным.

И, наконец, перспективностью пленочного гибридного варианта для аналоговых и линейных микросхем.

Применение интегральных микросхем позволяет уменьшить габариты и массу аппаратуры в несколько раз, а микропроцессоров - в десятки и сотни раз. Это объясняется тем, что размеры элементов интегральных микросхем составляют от нескольких миллиметров до единиц и десятых долей микрометра. Малые габариты ИМС и малое потребление ими электрической энергии позволяют осуществить комплексную микроминиатюризацию всех компонентов электронной аппаратуры [2].

1. Анализ технического задания

1.1 Состав технического задания и требования к изготовлению ИМС

Исходными данными для данной работы являются:

- Схема электрическая принципиальная ГКИЮ 468725.017 Э3;

- Перечень элементов ГКИЮ 468725.017 ПЭ3;

- Технические требования

1.1.1 Электрические требования

Напряжение питания 9 В

Диапазон рабочих частот НЧ

Потребляемый ток не более 15мА

Потребляемая мощность 135 мВт

1.1.2 Конструктивные требования

Микросхема должна иметь законченную конструкцию. Предназначена для установки на печатную плату в горизонтальном исполнении.

Необходимо обеспечить:

точность изготовления пленочных элементов 0.01 мм;

минимальные габариты;

максимальную стандартизацию и унификацию конструкции;

защиту от воздействия окружающей среды.

1.1.3 Производственно-технологические требования:

Тип производства - мелкосерийный. Необходимо обеспечить максимальную технологичность. Технология изготовления - тонкопленочная. Метод формирования рисунка - фотолитография. Шаг координатной сетки - 0,05 мм.

1.1.4 Эксплуатационные требования

Тип климата - УХЛ, группа эксплуатации - 3.

Значение температуры воздуха при эксплуатации

- верхнее значение +60 °С;

- нижнее значение -40 °С;

- среднее значение +10 °С;

- диапазон рабочих температур 100 °С.

Относительная влажность - 70% при температуре + 25 °С

Микросхема должна подвергаться следующим механическим испытаниям

- на прочность при воздействии синусоидальной вибрации;

- на прочность при воздействии механических ударов одиночного действия;

- на прочность при транспортировании;

- на прочность при падении.

Срок службы 7 лет.

Гарантийный срок хранения 5 лет.

1.1.5 Дополнительные требования

Обеспечить минимальную стоимость изготовления микросхемы.

1.2 Обеспечение технических требований

Исходные данные определяют обеспечиваемые при разработке и расчетах технические требования.

Требования и размеры ограничения к топологии определяются методом формирования рисунка - фотолитографией и заданными в перечне элементов мощностями рассеяния.

Заданный интервал температур определяет тепловой режим микросхемы, который обеспечивается требованиями к топологии платы, и материалам конструкций.

Требования к конструкции и технологии ГИС определяются также элементной базой, анализ которой приведен в следующем подразделе.

При производстве должны соблюдаться требования по изготовлению платы, элемента и микросхемы по ОСТ4 Г0.054.028.

Технические требования, необходимые для изготовления усилителя низкой частоты приведены на чертежах.

1.3 Анализ элементной базы

Согласно перечню (ГКИЮ 468725.017 ПЭЗ) элементов заданный усилитель низкой частоты содержит резисторы R1…R7, транзисторы VT1…VT6.

Проанализировав разброс номиналов и мощностей у резисторов и вследствие того, что он невелик, допустимые отклонения одинаковые, можно сделать вывод, что все резисторы целесообразно изготовить пленочные методом термовакуумного напыления.

Заданные транзисторы 2Т307В СБО.336.026 ТУ, которые являются кремниевыми, бескорпусными, n-p-n-типа, устанавливаются в микросхемах по варианту 3.

Установка транзисторов производится в виде навесных компонентов для снижения трудоёмкости, стоимости и увеличения надёжности, что обеспечивает высокую технологичность при мелкосерийном типе производства. Таким образом обеспечения технических требований вполне реализуемо и изготовление уселителя низкой частоты в интегральном исполнении возможно с достаточной технологичностью.

2. Выбор и обоснование выбора материалов

2.1 Резистивные материалы

Выбор резистивного материала осуществляется по нижеприведенному алгоритму, при этом резистивный материал должен обладать следующими свойствами [3],[4]:

1. Хорошей адгезионной способностью, чтобы все наносимые материалы напылялись за один вакуумный цикл и затем все элементы формировались методами фотолитографии.

2. Удельное поверхностное сопротивление резистивного материала (?_S) должно быть таким, чтобы обеспечить максимальную степень интеграции при минимальных размерах платы. Для этого коэффициент формы пленочных резисторов (К_Ф) простой прямоугольной формы должен лежать в интервале (0.5;10) ; по возможности не изготавливать резисторы сложной формы. При расчете группы тонкопленочных резисторов, входящих в состав одной ИМС и располагаемых на одной плате, крайне нежелательно использовать различные резистивные материалы или пленки из одного и того же материала, но различной толщины; допускается применение двух слоев - высокоомного и низкоомного.

3. Иметь наибольшее значение удельной мощности рассеивания резистивного материала (Р_о).

4. Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) должен обеспечивать заданные допустимые отклонения резисторов от номинального значения в процессе эксплуатации.

5. Иметь минимальный коэффициент старения.

6. Обеспечивать максимальную технологичность.

Поскольку , то целесообразно изготавливать резисторы из различных материалов.

Для получения приемлемых значений коэффициента формы К_Ф высокоомных резисторов, принимаем сопротивление квадрата резистивной пленки ?_S=2000 Ом. Такое удельное поверхностное сопротивление обеспечивает материал кермет К-50С. Таким образом, мы выбираем материал: Кермет К-50С ЕТО.021.033 ТУ

Выбранный материал имеет ТКС, обеспечивающий заданное допустимое отклонение резистора от номинального значения в процессе эксплуатации; имеет удовлетворительную адгезию. Для него разработана хром-керметная технология, по которой за один вакуумный цикл производиться напыление на предварительно активированную ионной бомбардировкой подложку последовательно кермета, хрома, алюминия и никеля. Затем элементы формируются методами фотолитографии.

Недостатком кермета является невысокая адгезия. Для ее обеспечения перед напылением (ионно-плазменным распылением) необходимо производить активизацию подложки ионной бомбардировкой и нагрев её до 500 °С.

Для получения приемлемых значений коэффициента формы К_Ф низкоомных резисторов, принимаем сопротивление квадрата резистивной пленки ?_S=100 Ом. Такое удельное поверхностное сопротивление обеспечивает материал: Хром ЭРХ ЧСТУ 5-30-70, который также идеально подходит для адгезии керметного слоя с проводниковым в качестве промежуточного слоя.

Таблица 3.3 - Электрофизические характеристики материалов для пленочных резисторов.

Материал	Сопротивление квадрата резистивной пленки, Ом/?	Допустимая удельная мощность рассеяния Вт/мм2	ТКС*10-4 1/град (в интервале Т0 -600С…+1250С)
Хром ЭРХ ЧСТУ 5-30-70	100	0,01	1,8 - 2
Кермет К-50С ЕТО. 021. 033 ТУ	2000	0,02	-5…+3

2.2 Проводниковые материалы

Электрические соединения элементов и компонентов осуществляется с помощью системы пленочных проводников, контактных проводников с пленочными элементами МС и контактных площадок под навесные компоненты и внешние выводы.

Электрофизические свойства проводников и контактных площадок в значительной степени определяют свойства применяемых материалов, к которым предъявляется ряд требований [5]:

низкое удельное сопротивление (?_s < 0.1 Ом/? );

хорошая адгезия к диэлектрической подложке, к резистивным материалам ;

высокая антикоррозионная стойкость ;

обеспечение высокого качества микроконтактирования проводников, выводов навесных компонентов и др. ; возможность присоединения

(пайки или сварки) выводов навесных компонентов и проволочных перемычек;

совместимость технологии нанесения проводников и контактных площадок с технологией изготовления других элементов МС.

Выбор проводниковых материалов, которые представляют собой многослойные структуры (в данном случае 3 слоя) обусловлен уже выбранной хром-керметной технологией для выбранного материала резистивного слоя.

Поскольку не один из материалов не удовлетворяет всем перечисленным требованиям, то используют многослойную структуру в данном случае состоящую из трех слоев:

1) нижний подслой хрома Хром ЭРХ ЧСТУ 5-30-76 с ?_S=100 Ом/? для адгезии между резистивным керметным слоем и проводниковым слоем;

2) средний слой алюминия А99 ГОСТ 618-72 в качестве проводникового слоя;

3) верхний защитный слой никеля НП2 ГОСТ 2170-73.

2.3 Материал подложки

Подложки служат диэлектрическим и механическим основанием для пленочных и навесных элементов, а также используются для отвода тепла. Материал подложки должен удовлетворять требованиям [6]:

- атомарно-гладкая поверхность, минимальная шероховатость и микронеровности;

- минимальная пористость;

- высокие изоляционные свойства;

- высокие диэлектрические свойства и малые потери (? > мах, tg? > min);

- высокая теплопроводность;

- температурный коэффициент расширения согласованный с наносимыми пленками;

- высокая стойкость к термоударам;

- высокая адгезия к наносимым пленкам;

- минимальное давление насыщенных паров в вакууме;

- химическая инертность к напыляемому материалу;

- химическая инертность к реактивам, растворам в процессе обработки;

- механическая прочность;

- малые коробления и неплоскостность, отсутствие волнистости поверхности;

- высокая технологичность при обработке;

- уменьшение стоимости и дефицитности материалов подложки.

Кроме того, в зависимости от назначения гибридных МС к подложкам предъявляется еще ряд дополнительных требований. Данная проектируемая ГИС работает на низкой частоте (НЧ) и не выделяет большой мощности, а изготовляется при помощи тонкопленочной технологии (ТНП).

Из числа материалов, максимально удовлетворяющих этим требованиям, выбираем Ситалл Ст50-1 ТХО.735.062 ТУ, его характеристики сведены в таблицу 2.1.

Ситалл достаточно легко поддается обработке: его можно прессовать, вытягивать, прокатывать и отливать центробежным способом. Кроме того, выбор обусловлен работой схемы на НЧ (исключаются высокочастотные поликор ВК-100, ситалл Ст38-1 и Ст32-1), тонкопленочной технологией (исключает керамику ВК94-1, ВК96-1 и ВБ-100), маломощностью схемы, высокой теплопроводностью среди ситаллов. Ситаллы также имеют преимущества перед стеклами: они хорошо обрабатываются, выдерживают резкие перепады температуры, обладают высоким электрическим сопротивлением, а по механической прочности в 2-3 раза прочнее стекла, имеют более низкие диэлектрические потери.

Таблица 2.1 - Характеристика выбранного материала Ситалл Ст50-1 ТХО.735.062 ТУ

Параметр	Значение
Диэлектрическая проницаемость при Т=20°С и f=1МГц	8.2 - 9
Тангенс угла диэлектрических потерь при Т=20°С и f=1МГц	(12-20)*10-4
Теплопроводность, Вт/(м*°С)	1.45
Удельное объемное сопротивление, Ом*см3	1013 - 1014
Электрическая прочность, кВ/мм	более 40
Класс шероховатости	13 - 14
Температура размягчения,°С	1150
Пористость, %	0

3. Расчет конструкции платы

3.1 Расчет геометрических размеров плёночных резисторов

Как было отмечено в п. 2.1, если отношение номинальных значений резисторов в схеме , как в данном случае, то целесообразно изготавливать резисторы из различных материалов. Для этого была проведена разбивка всех резисторов на 2 группы номинальных значений одного порядка.

Данные низкоомных резисторов приведены в таблице 3.1, а высокоомных - в таблице 3.2.

Таблица 3.1 - Исходные данные для расчета геометрических размеров для низкоомных резисторов.

Позиционное обозначение	Rном, Ом	?R, %	Рзад, мВт	Tmax-Tmin	?b	?l
R1	180	20	2	100	0,01	0,01
R3	180	20	2	100	0,01	0,01
R6	390	20	2	100	0,01	0,01

Таблица 3.2 - Исходные данные для расчета геометрических размеров для высокоомных резисторов.

Позицион. обозначение	R, Ом	?R, %	Рзад, мВт	Tmax-Tmin	?b	?l
R2	4300	20	2	100	0,01	0,01
R4	7500	20	5	100	0,01	0,01
R5	1000	20	5	100	0,01	0,01
R7	4300	20	2	100	0,01	0,01

Был выбран материал резистивной пленки в зависимости от значения удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки (отдельно по каждой группе).

Для низкоомных резисторов - Хром ЭРХ ЧСТУ 5-30-70.

Для высокоомных резисторов - Кермет К-50С ЕТО. 0.21. 033 ТУ.

Определим погрешность коэффициента формы резисторов [4]:

(3.1)

где: - предельное отклонение от номинального значения резистора;

- погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки;

- температурная погрешность;

- погрешность обусловленная старением пленки;

- погрешность переходных сопротивлений контактов.

Значение зависит от условий напыления и материала резистивной пленки и не превышает 5%.

Температурная погрешность зависит от ТКС материала пленки:

(3.2)

где: - Температурный коэффициент сопротивления материала пленки, 1/С0;

- рабочий диапазон температур, С0.

Погрешность, обусловленная старением пленки , вызвана медленным изменением структуры пленки во время ее окисления. Она зависит от материала пленки и эффективности защиты.

Погрешность переходных сопротивлений контактов зависит от технологических условий напыления, удельного сопротивления резистивной пленки и геометрических размеров контактного перехода. Обычно =1…3%.

Конфигурация резистора определяется его функциональным назначением, номинальным значением, удельным сопротивлением резистивной пленки, точностью, предъявляемой к его изготовлению, площадь на плате, отведенной под резистор, и технологическим процессом изготовления.

Основным параметром пленочных резисторов является коэффициент формы:

(3.3)

где: l - длина резистора, мм;

b - ширина резистора, мм.

При конструируется резистор прямоугольной формы; при конструируется резистор прямоугольной формы, но длинна его должна быть меньше ширины.

Выводы резисторов следует располагать в одном слое, чтобы их изготовление производилось с помощью одной маски или одного фотошаблона для исключения погрешности, которая может быть вызвана ошибками совмещения масок или фотошаблонов.

Конструктивный расчет резисторов прямоугольной формы сводится к определению его длинны l и ширины b. При этом необходимо, чтобы полученный резистор при заданном значении сопротивления обеспечивал рассеяние заданной мощности Ррас при удовлетворении требуемой точности в условиях существующих технологических возможностей.

Рассмотрим методику расчета резисторов прямоугольной формы Кф>1. Такие резисторы критичны к ширине, поэтому начинается с определения ширины b. Расчетное значение ширины резистора bрасч должно быть не меньше наибольшего значения одного из трех величин:

(3.4)

где: bтехн - минимальная ширина резистора, определяемая возможностями технологического процесса (для заданной тонкопленочной технологии

bтехн = 0,2 мм);

bточн - ширина резистора, определяемая точностью изготовления, мм.

(3.5)

bр - минимальная ширина резистора, при которой обеспечивается заданная рассеваемая мощность, мм:

(3.6)

За ширину резистора b принимается ближайшее к bрасч большее целое значение, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии.

Расчетное значение длинны резистора lрасч определяется по формуле:

(3.7)

За длину резистора l принимается ближайшее к lрасч большее целое значение, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии.

Рассмотрим методику расчета резисторов прямоугольной формы с Кф<1. Такие резисторы критичны к длине, поэтому начинается с определения ширины l. Расчетное значение длина резистора lрасч должно быть не меньше наибольшего значения одного из трех величин:

(3.8)

где: lтехн - минимальная длина резистора, определяемая возможностями технологического процесса (для заданной фотолитографии lтехн = 0,2 мм);

lточн - длина резистора, определяемая точностью изготовления, мм:

(3.9)

lр - минимальная длина резистора, при которой обеспечивается заданная рассеваемая мощность, мм:

(3.10)

(3.11)

где: Р0доп - удельная мощность, которую может рассеять единица площади выбранного материала.

За длину резистора l принимается ближайшее к lрасч большее целое значение, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии.

На практике значение lр при КФ<1 обычно менее lтехн и lточн. В этих случаях в качестве длины резистора выбирается максимальное из двух значений.

За ширину резистора b принимается ближайшее к bрасч большее целое значение, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии.

Рассмотрим методика выбора формы стыковки и размера перекрытия резисторов. Величина перекрытия резисторов с проводниками должна учитывать переходное контактное сопротивление пары «резистор - проводник» и допуск на совмещение слоев:

(3.12)

где: lRK - допустимое значение перекрытия в зависимости от удельного поверхностного сопротивления материала;

l? - допуск на несовмещение слоев, для фотолитографии l? = 0,1 мм.

При сопротивлении квадрата резистивной пленки, Ом/? 50-200 (для хрома) lRK = 0,5 - 0,4 мм.

При сопротивлении квадрата резистивной пленки, Ом/? более 500 (для кермета) lRK = 0,2 - 0,1 мм.

3.1.1 Расчет коэффициента формы низкоомных резисторов

Низкоомные резисторы R1, R3, R6.

Исходные данные для расчета геометрических размеров низкоомных резисторов приведено в табл. 3.1.

По формуле (3.1) определим погрешность формы. Для этого определим все элементы этой формулы:

= 0,2 - предельное отклонение от номинального значения резистора;

= 0,02 - погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки;

- температурная погрешность;

= 0,0002

= 0,0002*100 = 0,02

= 0,01 - погрешность обусловленная старением пленки;

= 0,01 - погрешность переходных сопротивлений контактов.

0,2 - 0,01 - 0,013 - 0,02 - 0,02 = 0,137

Определим основной параметр пленочных резисторов по формуле (3.3) КФ:

3.1.2 Расчет коэффициента формы высокоомных резисторов

Высокоомные резисторы R2, R4, R5, R7.

Исходные данные для расчета геометрических размеров для высокоомных резисторов приведены в таблице 3.2.

Погрешность формы

= 0,2 - предельное отклонение от номинального значения резистора;

= 0,02 - погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки;

- температурная погрешность;

=0,0002

= 0,0001*100=0,02

= 0,002 - погрешность обусловленная старением пленки;

= 0,02 - погрешность переходных сопротивлений контактов.

0,2 - 0,01 - 0 - 0,003 - 0,02 = 0,14

Определим КФ:

3.1.3 Расчет геометрических размеров резисторов с Кф<1

Из соотношения (3.8) выбираем максимальное значение длины резистора

где: lтехн = 0,2 мм;

lточн определяем по формуле (3.9)

мм

lр определяем по формуле (3.10)

мм

1,2 lрR1=0,42 мм

На основании расчетов и шага коорд. сетки выбираем длину резистора

lрасчR5 = 0,4 мм;

На основании расчетов и шага коорд. сетки выбираем ширину резисторов.

bрасчR5 = 0,8 мм;

3.1.4 Расчет геометрических размеров резисторов с КФ>1

Из соотношения (3.4) выберем максимальный размер ширины резистора.



где: bтехн = 0,2 мм;

bточн определим по формуле (3.5):

мм

мм

мм

мм

мм

мм

bр определим по формуле (3.6)

мм 1,2* bрR1 = 0,4 мм

мм; 1,2* bрR3 = 0,4 мм

мм 1,2* bрR6 = 0,027 мм

мм 1,2*bpR2=0,25 мм

мм 1,2*bpR4=0,39 мм

мм 1,2*bpR7=0,25 мм

На основании расчетов и шага коорд. сетки выбираем ширину резисторов

bрасR1 = 0,4 мм;

bрасчR2 = 0,2 мм;

bрасчR3=0,4 мм;

bрасч R4=0,3 мм

bрасч R6=0,2 мм

bрасч R7=0,2 мм

Расчетное значение длины резистора lрасч определяется по формуле (3.11):

lрасчR1=0,4·1,8=0,7 мм

lрасчR2=0,2·2,15=0,45 мм

lрасчR3=0,4·1,8=0,7 мм

lрасчR4=0,3·3,75=1,1 мм

lрасчR6=0,2·3,9=0,8 мм

lрасчR7=0,2·2,15=0,45 мм

Величина перекрытия резисторов R2, R4, R5, R7:

мм

где:

l? = 0,1 мм. Для кермета lRK = 0,2 мм.

Величина перекрытия резисторов R1, R3, R6:

мм.

где:

l? = 0,3 мм. Для хрома lRK = 0,3 мм.

Параметры для расчета геометрических размеров пленочных резисторов показаны в таблице 3.4.

Результаты расчета геометрических размеров пленочных резисторов сведены в таблице 3.5.

Таблица 3.4 - Параметры для расчета геометрических размеров пленочных резисторов

Группа	ТКС, ?RT, 1/град	Рд, Вт/см2	?l, ?b, мм	l?, мм	lтехн, мм	bтехн, мм	?КФ	?R	??S	?RT	?RCТ	?RK	?T, C?	Шаг коорд. сетки, мм
Хром	0,00019	5	0,01	0,1	0,2	0,2	0,137	0,2	0,05	0,035	0,02	0,03	185	0,05
Кермет	0	2					0,14			0	0,005

Таблица 3.5 - Результаты расчета геометрических размеров пленочных резисторов

Группа	?s, Ом/v	Поз. об.	Номинал, Ом	Рзад., мВт	Кф	bточн, мм	1,2bp, мм	bрасч, мм	1,2lp, мм	lрасч, мм	lпер, мм	lR, мм	SR, мм2	SR, мм2
Хром	100	R1	180	2	1,8	0,113	0,4	0,4	-	0,7	0,6	1,9	0,28	1,3
		R3	180	2	1,8	0,113	0,4	0,4	-	0,7		1,9	0,28
		R6	390	2	3,9	0,091	0,132	0,2	-	0,8		2	0,16
Кермет	2000	R2	4300	2	2,15	0,104	0,124	0,2	-	0,45	0,3	1,05	0,09
		R4	7500	5	3,75	0,09	0,309	0,3	-	1,1		1,75	0,33
		R5	1000	5	0,5	-	-	0,2	0,39	0,5		-	0,025
		R7	4300	2	2,15	0,124	0,124	0,2	-	0,45		1,05	0,135

3.2 Конструкторско-технологические требования к навесным компонентам

Кроме пленочных резисторов заданная схема имеет навесные компоненты. Их выбор для конкретной микросхемы ведут исходя из схемотехнических, конструктивно-технологических и других требований, которые предъявляются к параметрам, габаритам и методам сборки разрабатываемой конструкции.

Установку, способы крепления и методы присоединения навесных компонентов в микросхеме регламентирует ОСТ4.Г0.010.043. Размещение навесных компонентов на плате осуществляется с учетом установленного варианта установки (см. ниже). Перечень навесных компонентов приведен в таблице 3.6. Рекомендуется навесные компоненты располагать рядами, параллельными сторонам коммутационной платы. Размещение навесных компонентов на плате должно быть выполнено с учетом:

- возможной их замены;

- обеспечения как ручной так и автоматической установки;

- рационального использования площади подложки;

- обеспечения минимальной длины проводников при минимальном количестве мест их пересечений;

- обеспечения рекомендуемых зазоров между проводниками и контактными площадками на плате;

- обеспечения необходимого сопротивления проводящих слоев и изоляции;

- уменьшения или исключения паразитных связей между компонентами и соединительными проводниками;

- требований по обеспечению заданного теплового режима ИМС.

Таблица 3.6 - Перечень навесных компонентов.

Поз. обознач.	Название компонента	Кол-во
VT1…VT3	Транзистор 2Т307В СБ 0.336.016 ТУ	8
VT1…VT3	Транзистор 2Т317А СБ 0.336.016 ТУ	3

Основные геометрические размеры транзистора 2Т307В показаны на рис. 3.2, а транзистора 2Т317А на рис.3.2, б, основные параметры приведены в табл. 3.7. Вариант установки II.

а)

б)

Рисунок 3.2 - Эскизы транзистора 2Т307В и 2Т317А

Таблица 3.7 - Основные параметры транзисторов

Транзистор	Uкб max, B	Iк max, мА	Ск, пФ	h21Э	Рк max, мВт	Tраб,°С
2Т307В	10	20	5	40	15	-60...+85
2Т317А	10	20	6	40	15	-60...+85

3.3 Расчет и выбор типоразмера платы

Общая площадь подложки рассчитывается по формуле [6]:

(3.13)

где: KS = 0,3 - коэффициент заполнения;

?SR - общая площадь резисторов;

?Sgk - общая площадь навесных компонентов;

?SКП - общая площадь контактных площадок.

?SR = 2,58 мм2

(0,4*0,4*n)+(0,4*0,8*N),

где: n - количество внутренних КП, n=24

N - количество внешних КП, N=11

2,88+3,52=6,4 мм2

?Sgk = (1,7·0,7)·3+(1,3·2,3) ·3=6,56 мм2

мм2.

Значение S округляем в сторону увеличения: 58 мм2. Выбираем стандартную подложку, которая имеет типоразмер (810) мм

Для снижения затрат материала (ситалла Ст50-1 ТХО.735.062 ТУ) и времени, а также повышения технологичности подложки 810 (мм) для разрабатываемой ИМС, подложки размером будут изготавливаться используя стандартну плату размером 4860 (мм) с последующей резкой ее на отдельные платы (24 штуки при типоразмере подложки 810 мм).

4. Разработка схемы коммутации и анализ качества топологического чертежа

Процесс разработки топологии включает следующие основные этапы [8]:

- анализ схемы электрической принципиальной и составление

коммутационной схемы;

- расчёт геометрических размеров и определение конфигурации

- плёночных элементов;

- размещение на площади платы элементов, компонентов, контактных площадок и межсоединений микросхемы, т.е. разработку топологического чертежа;

- оценку качества разработанной топологии.

На первом этапе путём анализа схемы электрической принципиальной оценивается возможность реализации изделия в виде ГИС или микросборки. Выделяются элементы схемы, изготовление которых в составе ГИС невозможно (в данном случае такие элементы отсутствуют).

Далее составляется схема расположения, называемая коммутационной.

Коммутационная схема представляет собой преобразованную электрическую схему ГИС, содержащую проводники, резисторы и другие элементы в плёночном исполнении. Отдельно на схеме выделяют места под установку навесных компонентов и контактных площадок под периферийные выводы и выводы компонентов. При этом необходимо стремиться к минимуму пересечений проводников. В данной разработке плёночные элементы ГИС будут состоять из контактных площадок по периферии (29 шт.), контактных площадок под выводы навесных компонентов (28 шт.), плёночных резисторов (7 шт.) и плёночных проводников (при высокой квалификации разработчика микроэлектронного устройства можно после анализа схемы электрической принципиальной непосредственно перейти к расчёту плёночных элементов, минуя составление коммутационной схемы).

На втором этапе разработки топологии выполняются расчёты параметров плёночных элементов.

После составляется эскиз топологии и оценивается необходимая площадь платы.

Затем проводят анализ и, в случае необходимости, корректировку схемы с целью уменьшения габаритов, расшивки узких мест и уменьшения количества пересечений.

Используя схему коммутации, можно приступить к разработке чернового эскиза топологического чертежа в масштабе 20:1 и при шаге координатной сетки 0,05 мм. При разработке топологического чертежа базируемся на технологических ограничениях, присущих технологии изготовления ИМС фотолитографическими методами. Рассчитав площадь платы, определяем её габариты из условий: максимальное количество плат на стандартной подложке 4860 и максимальные размеры посадочных мест корпусов.

Итак, имеется (согласно расчётам, выполненным в п. 3.3) 16 плат на одной подложке с учётом технологического поля 1,35. Шаг контактных площадок по периферии выбираем 0,625, что соответствует шагу выводов корпусов ГИС. В углах платы предусматриваем четыре реперных знака для ориентации платы при сборке и совмещения фотошаблонов при изготовлении платы. Периферийные контактные площадки плат располагаем с двух сторон (по длине).

Поскольку требований в техническом задании к проводниковым элементам не предъявляется, то максимальная их ширина не ограничивается, а минимальная определяется ограничениями по технологии.

При оценке качества разработанной технологии обращаем внимание на:

соответствие схеме электрической;

выполнение конструктивно-технологических требований;

возможность контроля как в процессе изготовления платы, так и в процессе сборки ГИС;

дешевизну технологического процесса при изготовлении плат;

возможность механизации и автоматизации технологического процесса;

правильность расчета резисторов.

В целом, топология разработана качественно, с учётом возможности технологии, и автоматизации процесса изготовления платы ГИС.

После оценки качества топологии приступаем к разработке топологического чертежа, на котором показаны все слои (при этом проводниковый и маркировочный слой условно прозрачны) и плёночные элементы, а также полностью установленные навесные компоненты.

5. Расчет конструкции корпуса

5.1 Расчет типоразмера корпуса

Определяем минимальную длину корпуса по формуле (5.1):

(5.1)

где: Вmax - максимальная длина подложки, мм;

Сmin - размер буртика корпуса (1,25 мм);

?В - зазор между корпусом и подложкой (0,3 мм).

Д1min= (12/2-1)*2.5+2*2.5=17 мм

Д11min=10+2 1.5+2 0.5=14 мм

Определим минимальную ширину корпуса по формуле (5.2):

(5.2)

где: amax - максимальная ширина подложки, мм;

dmax - максимальный диаметр "бусы" (1,2 мм);

Z1min - Расстояние от крайнего вывода до края корпуса (2,25 мм);

?а - зазор между подложкой и "бусой" (0,3 мм).

мм.

Анализируя полученные размеры металлостеклянного корпуса, выбираем стандартный типоразмер: 1203 ГОСТ 17467-89 (рис.5.1). Технические данные этого корпуса приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Технические данные корпуса 1203 ГОСТ 17467-89

Параметр	Условное обозначение	Значение, мм
Длина корпуса	D	19,5
Ширина корпуса	Е	14,5
Высота корпуса	А	7,5
Количество выводов	n	14
Размер буртика корпуса	Сmin	1,5
Расстояние от крайнего вывода до края корпуса	z, z1	2,25
Расстояние между выводами	l	2,5
Расстояние между рядами выводов	l1	10
Максимальный диаметр «бусы»	dmax	1,2

Рисунок 5.1 - Корпус 1203 ГОСТ 17467-89

Герметизация этого металлостеклянного корпуса достигается пайкой с помощью припойной прокладки в конвейерных печах. Максимальная температура на полупроводниковом кристалле 250-350 0К. При этом достигается герметичность 5*10-3. . Размеры площадки для монтажа подложки 158,8 мм.

5.2 Обоснование выбранной конструкции корпуса

5.2.1 Описание конструкции корпуса

Корпусы ИМС, которые обеспечивают высокую надежность, должны отвечать следующим требованиям:

- иметь достаточную механическую стойкость и коррозионную стойкость;

- иметь минимальные габариты и массу;

- быть герметичными и предотвращать проникновение влаги внутрь корпуса;

- защищать ИМС от воздействия электромагнитного поля и радиоактивного излучения;

- обеспечивать минимальные паразитные емкости и индуктивности конструкции;

- обеспечивать надежную изоляцию между элементами, и надежный контакт между ИМС и платой;

- иметь минимальную стоимость;

- обеспечивать минимальное тепловое сопротивление между ИМС и окружающей средой;

- предоставлять возможность автоматизации процессов сборочных и контрольных операций ИМС.

Для пленочных МКС и МСБ необходимы полые корпуса с большими размерами монтажных площадок, поэтому чаще всего для их герметизации используют металлостеклянные корпуса.

Конструктивное исполнение выбранного корпуса ИМС в соответствии с выбранным вариантом герметизации показано на рисунке 5.2.

5.2.2 Характеристика материалов корпуса

Использование ковара 29 НК ГОСТ 14080-68 для крышки, основания и выводов обусловлено:

Рисунок 5.2 - Конструктивное исполнение выбранного металлостеклянного корпуса типа 11 - крышка; 2 - основание корпуса; 3 - вывод; 4 - «буса»; 5 - плата;

Хорошей защитой от электромагнитных полей (ковар высокопроводящий).

Устойчив к коррозии, не требует никаких дополнительных покрытий.

Ковар прочный, гибкий, жесткий , хорошо паяется и сваривается.

Использование для изоляции стекла С48-2 ТХ0.735.016 или С52-1 НП0.027.600 объясняется близостью ТКЛР стекла с металлом, для обеспечения качественного металлостеклянного спая.

5.3 Выбор и обоснование выбора метода герметизации

Выбранный метод герметизации и его характеристики приведены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 - Характеристики выбранного метода герметизации.

Характеристика корпуса	Металлостеклянный
Способ герметизации	Пайка в конвейерных печах
Газовая среда при герметизации	Кислород-аргон
Скорость процесса мм/сек	2,4…….4,5
Максимальная температура на п/п кристалле 0С	250……350
Достигаемая герметичность Па*см3/сек	0,005
Степень надежности	Высокая

Герметизацию проводят для полной изоляции элементов микросхемы и электрических соединений от контакта с окружающей средой, всегда содержащей влагу и другие химически активные компоненты, способные вызывать постепенные отказы.

Выбор способа герметизации практически однозначно определяется конструкцией корпуса микросхемы. Другими словами, конкретная конструкция корпуса всегда ориентирована на определенный способ герметизации.

Технологические способы герметизации микросхемы должны:

- обеспечить механическую прочность в рабочем диапазоне температурных и механических воздействий при эксплуатации;

- исключать в процессе герметизации чрезмерный нагрев активных элементов;

- исключать выделение газов и паров металлов внутри корпуса;

- выполняться в среде осушенного и очищенного воздуха, азота или инертного газа с точкой росы не выше -25°С;

- допускать механизацию и автоматизацию.

Для данной ГИС используется корпусная герметизация.

Метод герметизации - пайка. Конструкция корпуса позволяет использовать припойную прокладку или лужение с применением флюса, т. е. делает трудным попадание припоя и флюса внутрь корпуса. Если это происходит, то припой и флюс попадают в небольших количествах, которые практически безвредны, т. к. подложка и выводы корпуса находятся выше места стыка основания и крышки. Таким образом нет необходимости в применении пайки без флюса и припойной прокладки.

При герметизации пайкой металлическими припоями требуется применение для крышки и основания корпуса материалов хорошо смачиваемых припоями или соответствующих покрытий (никелирование, золочение).

Основным недостатком герметизации с помощью пайки является необходимость значительного нагревания всего корпуса микросхемы, вредное влияние флюса, а также пониженная стойкость паянного шва из-за высокого ТКЛР по сравнению с коваром. Как показано выше и ниже эти недостатки можно минимизировать.

Припой ОВи - олово - висмут (или ПОС-61, ПСр-2,5) используется в виде прокладок соответствующей формы - рамки (может также наносится предварительным лужением). Для удаления с припойных прокладок окислов и загрязнений их обрабатывают кипячением в течение 6-8 мин в травителе на основе уксусной кислоты. После отмывки в деионизированной воде прокладки хранят в этиловом спирте.

Применение герметизации пайкой обусловлено:

- выбором металлостеклянного корпуса с небольшими габаритами и выводами;

- нет необходимости в больших давлениях сжатия и большого перегрева корпуса как при сварке, что важно для работоспособности активных элементов;

- нет необходимости в применении инструмента, что обеспечивает относительную простоту и невысокую стоимость технологического процесса; для серийного производства (как в данном случае) такой метод герметизации достаточно технологичен;

- достаточно малая интенсивность истечения газа из корпуса: 5_*10^-3 Па_*см³/с;

- необходимость выпускать микросхемы сериями;

- метод пайки по сравнению с методом сварки для малогабаритных корпусов (контактная электросварка, например) обеспечивает лучшее качество герметизации.

Коваровая рамка, обрамляющая основание корпуса, имеет золотое покрытие. На нее укладывается припойная прокладка, затем крышка, и прикладывается небольшое давление. В процессе нагрева припой расплавляется и заполняет зазор между крышкой и рамкой основания. Применяют различные способы нагрева.

Простейший способ нагрева (кондуктивный) заключается в применении нагревательных плит (специальные кассеты), на которые устанавливают предварительно собранные детали корпуса, прижимаемые с небольшим усилием прижимом. Припойные прокладки предварительно флюсуются погружением в раствор канифоли. Такой способ нагрева используется в мелко- и среднесерийном производстве в конвейерных печах с защитной средой.

Другой способ нагрева основан на подаче и обдуве корпуса со стороны крышки горячим газом. При этом активные элементы платы перегреваются меньше - используем этот метод нагрева. При использовании струи горячего сухого азота или аргона нет необходимости применять флюс. Пайку струей горячего газа выполняют на двухместных (двухпозиционных) установках, поочередно заменяя герметизированный корпус новым на каждой позиции и совмещая, таким образом, вспомогательное время с основным технологическим.

5.4 Контроль герметичности корпуса

Для полых (газонаполненных) корпусов достаточно объективным показателем качества может служить интенсивность истечения газа из корпуса. Методы испытания на герметичность должны отвечать одновременно требованиям высокой чувствительности и экономичности.

Интенсивность истечения оценивается потоком газа, т. е. количеством газа, вытекающего из корпуса в 1 с при определенном давлении внутри корпуса. Таким образом, интенсивность истечения имеет размерность «объем _* давление/время», например см³_*Па/с. Соответственно под чувствительностью метода контроля понимается минимальный поток газа, который можно обнаружить данным методом.

Поскольку герметизация полых корпусов выполняется в среде с нормальным (или немного повышенным) давлением, обнаружение течи из корпуса возможно при условии, если:

1) внутри корпуса имеется газ с особыми свойствами, который может быть выделен из общего газового потока специальными приборами;

2) давление окружающей среды ниже давления внутри корпуса.

Для повышения чувствительности методов контроля может быть использовано либо первое, либо второе условие, либо оба одновременно. Ниже приведены основные методы контроля герметичности:

- Масс-спектрометрический метод основан на обнаружении гелиевым течеискателем гелия, предварительно введенного в корпус микросхемы. Ввиду низкой производительности и сложности обслуживания установок контроля этот метод может быть рекомендован только для выборочного контроля на полуавтоматической установке УКГМ-2, например. Производительность установки - 120 шт/ч. Максимальная чувствительность установки к потоку гелия: 10^-9 см³_*Па/с; верхний предел отбраковки корпусов по потоку гелия: 1,3_*10^-4 см³_*Па/с.

- Вакуум-жидкостный метод позволяет визуально обнаружить газ, вытекающий из корпуса в случае наличия неплотностей. Чувствительность ~6,5_*10^-1 см³_*Па/с. Метод не требует сложного оборудования, для обнаружения грубых течей, используется как предварительный.

- Компрессионно-термический метод - разновидность вакуум-жидкостного, только рабочая жидкость нагрета. Чувствительность ~5,2_*10^-1 см³_*Па/с.

- Влажностный метод - универсальный, дает объективную оценку качества герметизации и является составной частью климатических испытаний ИМС. Одновременно оценивается стойкость материалов и покрытий корпуса к воздействию влаги. Испытания проводятся в камере тепла и влаги.

Ввиду того, что производство данной микросхемы - мелкосерийное и отсутствует необходимость контроля больших партий производимых микросхем, то для контроля герметичности будет использоваться масс-спектрометрический метод, -- он самый точный и надёжный, хотя и малопроизводителен.

6. Выбор и обоснование выбора методов микроконтактирования

Микроконтактирования навесных компонентов

Монтажные операции, связанные с присоединением выводов, осуществляют для создания внутри схемных электрических соединений и для коммутации периферийных контактов ГИС с внешними выводами корпуса. Соединения должны быть прочными и надежными, иметь хорошие электрофизические параметры; воздействие технологических режимов сборки не должно ухудшать параметров МС, контроль качества соединения должен быть простым и надежным. Выводы можно присоединить пайкой или микросваркой. С помощью пайки получаются ремонтопригодные соединения, т.е. такие, которые можно демонтировать и перепаять без повреждения коммутируемых элементов. Инструменты, применяемых при пайке, достаточно просты. В тоже время паяное соединение характеризуется относительно большой площадью, а сам процесс - низкой производительностью; возможно растворение материала перемычек и пленочных контактов в расплавленном припое; воспроизводимость параметров соединения невысока.

Поэтому применяем микросварку. Ее преимуществами являются: возможность управления параметрами процесса, его механизация и автоматизация; высокое качество и воспроизводимость параметров соединения; предопределенность формы и размера сварной точки, что приводит к минимизации площади получаемого соединения, хорошей свариваемостью материалов соединительных проволок и материала контактных площадок.

При проведении сварки необходимо учитывать следующие требования:

необходимо стремиться к использованию одной установки для всех видов сварки, что понижает стоимость конечного изделия и повышает его технологичность;

необходимо не допустить перегрева активных элементов;

необходимо использовать проволоку малой массы и большой прочности.

В разрабатываемой ИМС применим следующие типы проволок: для присоединения контактных площадок платы к выводам корпуса - алюминиево-кремниевая проволока А999К09 ГОСТ 618-72, прочность которой в отожженном состоянии достигает 450 Н/мм? при относительном удлинении до 4%. Проволоку выпускают в диапазоне диаметров 27-50 мкм. Для формовки выводов навесных компонентов - золотую проволоку Зл999,9 ГОСТ 6835-76, которая выпускается в диапазоне диаметров 25-60 мкм, она имеет наилучшую электропроводность, но при этом обладает невысоким сопротивлением к разрыву, а также невысокой вибро- и удароустойчивостью (при этом входящей в пределы, заданные в техническом задании).

Наиболее эффективный метод сварки для вышеназванных материалов - сварка косвенным импульсным нагревом (СКИН), которая и выбирается для данной разработки. При СКИН разогрев рабочей зоны осуществляется только в момент сварки импульсом тока, проходящим непосредственно через инструмент, после приложения давления. Специальная V-образная конструкция инструмента дает возможность сосредоточить выделяющуюся теплоту, передаваемую соединяемым элементам, на его торцевой (рабочей) части. Сопротивление при этом падает, под действием приложенного давления происходит осадка металлического проводника и образование соединения. Локализация нагрева в зоне соединения существенно уменьшает тепловое воздействие на изделие. В тоже время в избежании теплового удара на подложку в зоне сварки часто требуется небольшой общий подогрев изделия, т.е. нагрев рабочего столика. Основными параметрами процесса являются давление и температура нагрева инструмента, а также длительность импульса нагрева. Для точного дозирования энергии, подводимой в зону сварки и уменьшения инерционности процесса используют амплитудно-модулированный импульс тока с несущей частотой от 0.5 до 1.5 кГц. Устройство автоматической стабилизации обеспечивает точность температуры торца инструмента в пределах ±(2-5)°С.