Микроэлектроника: Рабочая программа, задание на курсовую работу и методические указания к ее выполнению

Министерство образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра промышленной электроники

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА Рабочая программа Задание на курсовую работу и методические указания к ее выполнению

Факультет энергетический Направление и специальность подготовки дипломированного специалиста: 654100 - электроника и микроэлектроника, 200400 - промышленная электроника Направление подготовки бакалавра 550700 - электроника и микроэлектроника

Санкт-Петербург

2004

2

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 621.38 (07) Микроэлектроника: Рабочая программа, задание на курсовую работу и методические указания к ее выполнению. – СПб.: СЗТУ, 2004.- 53с. Методический сборник разработан в соответствии с государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 654100 – «Электроника и микроэлектроника» (специальность 200400 – «Промышленная электроника») и направлению подготовки бакалавра 550700 – «Электроника и микроэлектроника». Сборник содержит рабочую программу, тематический план лекций, перечень основной и дополнительной литературы, задание на курсовую работу и методические указания к ее выполнению. В рабочей программе рассмотрены основы пленочной и полупроводниковой микроэлектроники; особенности изготовления ИМС, БИС, СБИС, микросборок, вопросы разработки и проектирования различных типов ИМС, основы функциональной микроэлектроники. Методические указания к выполнению курсовой работы разработаны для оказания помощи студентам и содержат методики расчета тонкопленочных элементов, методические указания и рекомендации по разработке топологии и технологии изготовления ИМС, а также необходимые для выполнения работы справочные данные. Рассмотрены основные технологические методы и циклы изготовления тонкопленочных ИМС. Рассмотрено на заседании кафедры промышленной электроники 23 января 2004 г., одобрено методической комиссией энергетического факультета 26 января 2004 г. Рецензенты: В.Д. Лиференко, д-р техн. наук, проф. кафедры промышленной электроники СЗТУ; Л.П. Скороходов, канд. техн.наук, доц. кафедры вычислительной техники ВКА им. А.Ф. Можайского.

Составитель Ю.Г. Васильев, д-р техн.наук, проф. © Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2004

3

ПРЕДИСЛОВИЕ Современная микроэлектроника (МЭ) развивается по пути микроминиатюризации и увеличения степени интеграции микроэлектронных изделий (МЭИ): интегральных микросхем (ИМС), микросборок (МСБ), полупроводниковых и гибридных больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схем. Особое место среди направлений МЭ занимает функциональная микроэлектроника (квантовая МЭ, диэлектрическая электроника, оптоэлектроника, акустоэлектроника, магнетоэлектроника, криотроника, хемотроника, биоэлектроника), изделия которой находят все более широкое применение в системах передачи, обработки, хранения и отображения информации. Использование современных достижений МЭ в разрабатываемых системах различного функционального назначения позволяет комплексно решать проблемы многофункциональности, повышения надежности, уменьшения массы, габаритов, энергопотребления и стоимости. Цель преподавания дисциплины. Основными целями преподавания дисциплины являются: - ознакомление с основными задачами, принципами и направлениями развития современной МЭ; - приобретение знаний по принципам построения, функциональных возможностей, изготовления и использования МЭ в аппаратуре различного функционального назначения, включая устройства и системы промышленной электроники; - приобретение навыков для расчета и проектирования полупроводниковых, пленочных и гибридных ИМС. Задачи изучения дисциплины. Основные задачи дисциплины направлены на приобретение студентами соответствующих знаний, в результате которых студент должен: - знать основные направления в МЭ; классификационные признаки и характеристики МЭИ; конструктивно-технологические особенности различных типов интегральных схем и методы изготовления пассивных и активных элементов ИМС; основные разновидности аналоговых и цифровых интегральных схем и особенности их использования в промышленной аппаратуре; основные особенности и принципы проектирования МЭИ; принципы работы устройств функциональной МЭ; - уметь производить расшифровку маркировки ИМС, выбор элементной базы при разработке устройств МЭ и осуществлять разработку технических требований для изготовления аппаратуры;

4

- уметь осуществлять измерение параметров ИМС и производить расчеты их элементов, осуществлять выбор технологии изготовления элементов интегральных схем, составлять эскизы топологии элементов и ИМС. Межпредметные связи. Изучение дисциплины «Микроэлектроника» базируется на знаниях, полученных при изучении предшествующих дисциплин: «Физика», «Физика твердого тела», «Материалы и элементы электронной техники», «Теоретические основы электротехники», «Вакуумная и плазменная электроника», «Твердотельная электроника» - и является базовой для следующих за ней дисциплин учебного плана.

1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 1.1. Содержание дисциплины по ГОС Микроэлектроника: классификация интегральных микросхем: полупроводниковые и гибридные, на биполярных и МДП-элементах; цифровые и аналоговые; малой, средней, большой и сверхбольшой степени интеграции; активные и пассивные элементы интегральных микросхем; схемотехнические структуры интегральной микроэлектроники; элементы функциональной электроники. Классификация интегральных микросхем: полупроводниковые и гибридные, на биполярных и МДП-элементах; цифровые и аналоговые; малой, средней, большой и сверхбольшой степени интеграции; активные и пассивные элементы интегральных микросхем; схемотехнические структуры интегральной микроэлектроники; элементы функциональной электроники. 1.2. Объем дисциплины и виды учебной работы Виды занятий 1

Всего часов 2

Общая трудоемкость

120

Аудиторные занятия

36

Лекции

20

Практические занятия (ПР)

8

5

1

2

Лабораторные работы (ЛР)

8

Самостоятельная работа

84

Курсовая работа

+

Вид итогового контроля – экзамен

1.3. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА (объем дисциплины 120 часов) 1.3.1. Введение [1], с. 5…2 7; [2], с. 5…10; [3], с.8…15 Предмет изучаемой дисциплины. Задачи и принципы МЭ. Факторы, определяющие развитие МЭ. Основные направления МЭ: пленочные и гибридные ИМС, полупроводниковые ИМС, микропроцессоры и микроЭВМ, функциональная МЭ. Особенности интегральной и функциональной МЭ. Классификация изделий МЭ. Основные параметры ИМС: степень интеграции, интегральная плотность (плотность упаковки), функциональная сложность, функциональная плотность, информационная сложность. Конструктивно-технологические особенности и условные обозначения ИМС. Сравнительный анализ различных типов ИМС: тонкопленочных и толстопленочных, полупроводниковых и гибридных ИМС. 1.3.2. Подложки пленочных, гибридных и полупроводниковых ИМС [1], с. 168…199; [3], с. 42,43 Классификация, назначение и особенности подложек для различных типов ИМС (пленочных, полупроводниковых и гибридных). Подложки для полупроводниковых ИМС и их условные обозначения. Подложки пленочных, гибридных ИМС и микросборок (МСБ). Загрязнения подложек и методы их очистки.

6

1.3.3. Пленочная микроэлектроника [1], с. 95…136, 256…285, 345…352; [3], с.26…30 1.3.3.1. Пленочные структуры и их физические свойства [1], с. 95…136 Основные физические параметры, описывающие электрические свойства пленок: плотность тока, подвижность носителей заряда, удельная проводимость и удельное сопротивление, электрическая прочность, температурные коэффициенты сопротивления и емкости. Классификация пленок: тонкие (ТНП), толстые пленки (ТЛП). Отличительные особенности ТНП и ТЛП. Типы ТНП: сплошные и гранульные пленки. Длина свободного пробега электрона в ТНП, удельная проводимость ТНП. Металлические ТНП, материалы, свойства, области применения и технологические методы изготовления. Диэлектрические ТНП, материалы, свойства, области применения и способы изготовления. 1.3.3.2. Технологические основы пленочной микроэлектроники [1], с. 214…223, 256…285, 345…352; [3], с.26…30 Вакуумные методы нанесения ТНП: термическое напыление, катодное распыление (физическое и реактивное), ионно-плазменное напыление, магнетронное распыление. Электрохимические и химические методы нанесения ТНП: электролитическое и химическое осаждение, анодное окисление. Получение различных конфигураций схемотехнических ТНП структур: методы съемной (свободной маски) и контактной маски, фотолитография, комбинированный метод. Танталовая технология изготовления ТНП элементов. Типовой технологический процесс изготовления интегральной RC- цепи. Технология изготовления ТЛП: материалы, трафаретная печать, процесс вжигания. Металлизация полупроводниковых структур для создания внутрисхемных соединений с помощью ТНП. 1.3.4. Полупроводниковая микроэлектроника [1], с. 200…255, 286…339, 380…383; [3], с. 15…26, 30…42

7

1.3.4.1. Полупроводники и их физические свойства [1], с. 35…44, 54…62, 74…94; Основные полупроводниковые материалы, используемые в МЭ. Свойства полупроводников (ПП). Собственные и примесные ПП n - и p типов. Контактные явления в ПП. Свойства p-n перехода. Энергетическая диаграмма и вольтамперная характеристика p-n перехода. Явления пробоя в p-n переходе. 1.3.4.2. Технологические основы полупроводниковой микроэлектроники [1], с. 200-255; [ 3 ], с. 15…26, 30…42 Основные технологические процессы для формирования полупроводниковых структур. Получение слоев оксида (SiO2) и нитрида кремния (Si3N4), их назначения и свойства. Методы литографии, их назначение и особенности применения. Фотолитография: контактная и бесконтактная. Методы легирования полупроводников: высокотемпературная диффузия, радиационно-стимулированная диффузия, ионное легирование. Эпитаксиальная технология наращивания полупроводников. 1.3.4.3. Технология изготовления полупроводниковых элементов, ИМС и БИС [1], с. 286…339; 380…383; [3], с. 50…109 Особенности, этапы и классификация процессов создания полупроводниковых ИМС: биполярная (БП) и МДП- технологии. Планарно-эпитаксиальные интегральные БП транзисторы, их топология, параметры и отличия от дискретных БП транзисторов. Топология интегральных диодов. Пассивные элементы БП ИМС (резисторы, конденсаторы), их конфигурации и характеристики. Планарная и планарноэпитаксиальная технологии изготовления полупроводниковых БП структур. Методы изготовления БП ИМС с изоляцией p-n переходом, с диэлектрической и с комбинированной изоляцией. Стандартная технология изготовления интегральной схемы «БП транзистор, диод, резистор, конденсатор». Совмещенная технология изготовления ИМС. Устройство интегрального МДП-транзистора с встроенным и индуцированным каналами p- и n- типов, их характеристики и особенности из-

8

готовления. N-канальная, p-канальная и комплементарная (КМДП) технологии изготовления МДП ИМС. Технологии и методы создания БИС и СБИС. Комбинированная технология изготовления БИС (БИ-ПТ-технология). Сборка и защита полупроводниковых ИМС. 1.3.5. Технология изготовления гибридных ИМС, БИС и МСБ [1], с. 340…367; 382,383; [3], с. 42…50 Особенности, классификация технологических процессов и основные этапы изготовления коммутационных плат гибридных ИМС (ГИМС), БИС и МСБ. Тонкопленочные ГИМС и МСБ. Изготовление толстопленочных ГИМС и МСБ. Защита и сборка ГИМС, БИС и МСБ. 1.3.6. Проектирование пленочных, полупроводниковых и гибридных ИМС, МСБ и БИС [2], с. 25…141; 148…241; [3], с. 109…120; [4], с.93…103 Этапы инженерного проектирования и разработки топологии ИМС. Методы расчета и проектирования пленочных элементов ИМС, ГИМС и МСБ: резисторов, конденсаторов, индуктивностей, проводников и контактных площадок. Этапы разработки и проектирования полупроводниковых биполярных ИМС, МДП-ИМС и КМДП-ИМС. Проектирование БИС и МСБ. 1.3.7. Основы функциональной микроэлектроники [1], с. 27…34; [2], с. 367…408; [3], с. 253…275 Цели и задачи функциональной микроэлектроники (ФМЭ), основные направления развития: оптоэлектроника, квантовая МЭ, акустоэлектроника, магнитоэлектроника, диэлектрическая электроника, биоэлектроника, криоэлектроника, хемотроника. Основные устройства и приборы ФМЭ: светодиоды, гетеролазеры, фотоприемники, оптроны, оптоэлектронные ИМС, фотоприборы с зарядовой связью (ПЗС) (фотолинейки, фотоматрицы); акустические линии задержки, фильтры на ПАВ, акустоэлектронные усилители и преобразователи; диэлектрические диоды и транзисторы; ионисторы, электрохимические ячейки памяти и управляемые сопротивле-

9

ния; сверхпроводниковые усилители, приборы на эффекте Джосефсона; приборы на эффекте Ганна. 1.4. ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ для студентов очно-заочной формы обучения ( 20 часов) Темы лекций 1. Введение. Принципы микроэлектроники. Особенности новых направлений в МЭ. Основные параметры и конструктивно-технологические особенности ИМС. Подложки ИМС. 2. Пленочная микроэлектроника 3. Полупроводниковая микроэлектроника. 4. Изготовление гибридных ИМС и БИС 5. Проектирование ИМС. Основы функциональной электроники

Объем,ч.

4 4 4 4 4

1.5. ТЕМЫ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ (8 часов) Темы практических занятий 1. Основные принципы, этапы проектирования и исходные данные для разработки ИМС. Методы расчета и проектирования тонкопленочных элементов. 2. Разработка топологии ИМС и технология изготовления.

Объем, ч. 4 4

1.6. ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ (8 часов) Темы лабораторных работ 1.Исследование интегрального операционного усилителя 4. Исследование цифровых логических микросхем типа ТТЛ

Объем, ч. 4 4

10

1.7. ТЕМАТИКА КУРСОВОЙ РАБОТЫ В курсовой работе студенту предлагается разработать топологию и технологию изготовления бескорпусной тонкопленочной микросборки, представляющей собой два параллельно включенных Т-образных четырехполюсника. Курсовая работа включает в себя следующие этапы. 1. Выбор необходимых исходных данных и материалов по предпоследней и последней цифрам шифра. 2. Разработку коммутационной схемы МСБ и расчет тонкопленочных элементов в соответствии с приведенной методикой.. 3. Разработку топологии МСБ и технологии ее изготовления.

2. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Какой основной принцип положен в основу развития МЭ и в чем состоят основные задачи и факторы, определяющие ее развитие? 2. Укажите конструктивные особенности пленочных, полупроводниковых и гибридных ИМС, а также проведите их сравнительный анализ. 3. Назовите основные изделия МЭ и кратко охарактеризуйте новые перспективные направления МЭ. 4. В чем состоит отличие элемента и компонента ИМС? 5. Дайте классификацию ИМС по конструктивно-технологическим признакам и приведите примеры условных обозначений ИМС. 6. Укажите основные параметры ИМС и приведите формулы для их расчета. 7. Какова степень интеграции БИС и СБИС? 8. Назовите функции, которые выполняют подложки в пленочных, гибридных и полупроводниковых ИМС. 9. Приведите классификацию подложек в МЭ. 10. Какие материалы используются для подложек полупроводниковых ИМС и какие условные обозначения используются для таких подложек? 11. Назовите основные материалы, которые используются для подложек пленочных и гибридных ИМС.

11

12. Какие виды загрязнений подложек и методы их очистки? 13. Какие основные физические параметры описывают электрические свойства пленок, и в чем отличие толстых и тонких пленок по электропроводности? 14. Для изготовления каких элементов тонкопленочных ИМС используются тонкие металлические пленки, и какие для этого применяются материалы? 15. Назовите материалы для изготовления диэлектрических тонких пленок, их основные параметры и элементы тонкопленочных ИМС, которые из них изготавливаются. 16. Приведите классификацию технологических методов, которые используются в тонкопленочной технологии, объясните метод вакуумного термического напыления. 17. Объясните возникновение явления реиспарения при термическом напылении. 18. Каковы особенности метода вакуумного катодного распыления, и в чем отличие физического и реактивного способа напыления? 19. Объясните метод ионно-плазменного напыления и укажите его отличие термического напыления и катодного распыления. 20. Проведите классификацию электрохимических и химических методов нанесения тонких пленок, объясните сущность электролитического метода и метода анодирования, укажите их отличия и области применения. 21. В чем заключается метод съемной и контактной маски? 22. Объясните технологический процесс создания тонкопленочной RCцепи с помощью метода съемной маски. 23. Объясните сущность метода фотолитографии, укажите и охарактеризуйте основные элементы, используемые в фотолитографии. 24. Каково назначение фотошаблона и фоторезиста в процессе фотолитографии, и какие основные параметры фоторезиста? 25. В чем состоит отличие методов контактной и проекционной фотолитографии? 26. В чем заключается комбинированный метод создания тонкопленочных элементов? 27. Какие элементы тонкопленочных ИМС изготавливаются с помощью танталовой технологии? 28. Какие типы конденсаторов изготавливаются по танталовой технологии? 29. Объясните сущность типового технологического процесса создания тонкопленочных элементов по танталовой технологии на примере изготовления RC - цепи.

12

30. В чем заключается технология изготовления толстопленочных ИМС, и каково ее отличие от тонкопленочной технологии? 31. Укажите основные отличия полупроводниковых микроэлектронных структур от пленочных. 32. Назовите основные технологические процессы полупроводниковой технологии. 33. Какими методами создаются слои SiO2 и Si3N4. 34. Приведите классификацию и охарактеризуйте методы литографии. 35. Какие методы легирования используются в полупроводниковой технологии? 36. Какие процессы легирования описываются первым и вторым законами Фика и каково их математическое описание? 37. Объясните методы высокотемпературной диффузии из бесконечного и конечного источников. 38. В чем сущность радиационно-стимулированной диффузии и ионного легирования полупроводников? 39. Укажите методы эпитаксиального наращивания и опишите хлоридный метод наращивания полупроводниковых слоев. 40. В чем состоит отличие гетероэпитаксии от автоэпитаксии? 41. Какие два основных технологических направления используются для создания полупроводниковых ИМС и БИС? 42. На каких основных технологических процессах основаны биполярные планарная и планарно-эпитаксиальная технологии, каковы их отличия? 43. Проведите сравнительный анализ методов изоляции элементов p-n переходом (разделительная диффузия), диэлектрической изоляцией (EPIC - технология) и комбинированной изоляцией. 44. Объясните процесс формирования полупроводниковой ИМС, состоящей из конденсатора, диода, биполярного транзистора и резистора (C - D - T - R), с помощью разделительной диффузии. 45. Поясните процесс формирования полупроводниковых структур по совмещенной технологии. 46. В чем отличия МДП- технологии от биполярной? 47. Укажите основные отличия p-канальных, n-канальных и КМДП структур. 48. Объясните технологические схемы p-канальной и КМДПтехнологии изготовления МДП-транзисторов. 49. Укажите основные параметры, которые характеризуют БИС и СБИС. 50. На каких основных технологических процессах базируется изготовление полупроводниковых БИС и СБИС?

13

51. Охарактеризуйте комбинированную технологию создания полупроводниковых БИС и СБИС. 52. В каких областях находят применение БИС и СБИС? 53. Назовите основные отличия ГИМС от полупроводниковых ИМС. 54. Какие технологические процессы используются для создания ГИМС, БИС и МСБ? 55. Укажите назначение и назовите основные требования, которые предъявляются к коммутационным платам гибридных БИС и МСБ. 56. Какие технологические процессы используются для изготовления многослойных коммутационных плат гибридных БИС? 57. Назовите основные этапы сборки ИМС, БИС и МСБ. 58. Какие основные способы защиты ИМС и БИС? 59. Укажите основные этапы проектирования ИМС. 60. Какие основные критерии используются при разработке топологии ИМС? 61. Каким образом проектируются и изготавливаются резисторы, конденсаторы и диоды в полупроводниковых ИМС? 62. Как осуществляется проектирование биполярных и МДПтранзисторов? 63. Назовите этапы проектирования ГИМС и укажите исходные данные для проектирования топологии. 64. Назовите основные параметры для проектирования пленочных резисторов и конденсаторов. 65. Как осуществляется расчет тонко- и толстопленочных резисторов? 66. Какая методика расчета тонко- и толстопленочных конденсаторов? 67. Назовите основные принципы проектирования топологии гибридных ИМС. 68. Каковы особенности проектирования БИС и МСБ, а также основные этапы их расчета и проектирования? 69. Укажите основные направления развития функциональной электроники. 70. Назовите основные особенности оптоэлектроники и приборы, которые в ней рассматриваются. 71. Укажите типы оптических излучателей, фотоприемников и оптронов, а также объясните принципы их работы. 72. Кратко охарактеризуйте особенности других направлений функциональной электроники.

14

3. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 0сновной: 1. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника: Физические и технологические основы, надежность. – М.: Высш. шк., 1986. 2. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника: Проектирование, виды микросхем, функциональная микроэлектроника. – М.: Высш. шк. 1987. 3. Аваев Н.А., Наумов Ю.Е., Фролкин В.Т. Основы микроэлектроники: Учеб. пособие для вузов.- М.:Радио и связь, 1991. Дополнительный: 4. Пономарев М.В., Коноплев Б.Г. Конструирование и расчет микросхем и микропроцессоров: Учебное пособие. - М.: Радио и связь, 1986. 5. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учеб. пособие для вузов.М.: Лаборатория Базовых Знаний 2001. 6. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. Учебник для студентов вузов по спец-ти электронной техники - С.-Петербург: Лань, 2001. 7. Конструирование и расчет больших гибридных интегральных схем, микросборок и аппаратуры на их основе/ Под ред. Б.Ф. Высоцкого. – М.: Радио и связь, 1981. 8. Березин А.С., Мочалкина О.Р. Технология и конструирование интегральных микросхем/ Под ред. И.П. Степаненко. – М.: Радио и связь, 1983. 9. Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии: Пер. с англ./ Под ред. А.В. Шальнова. – М.: Мир, 1985.

15

4. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЕЕ ВЫПОЛНЕНИЮ 4.1. Задание на курсовую работу Разработать на основе тонкопленочной технологии топологию и технологию изготовления бескорпусной интегральной микросборки, представляющей собой два параллельно включенных Т-образных четырехполюсника. Выбор варианта курсовой работы произвести из приведенной ниже табл. 4.1 исходных данных. 4.2. Исходные данные 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. В исходных данных могут задаваться также используемые материалы. 4.2.1. Схема микросборки, электрические и эксплуатационные данные, используемые материалы Электрическая схема МСБ изображена на рис. 4.1 и представляет собой два параллельно включенных Т-образных четырехполюсника. Первый состоит из двух резисторов R1 и конденсатора C2, а второй – из двух конденсаторов C1, представляющих собой плечи четырехполюсника, и резистора R2.

16

R1

X1

R1

X2

C2 C1

C1 R2

Рис.4.1 Исходные электрические и эксплуатационные данные, а также материалы, определяющие индивидуальность заданий, приведены в табл. 4.1. Материалы задаются в качестве исходных данных для исключения дублирования вариантов курсовой работы. Каждый студент обязан выполнить задание в соответствии с цифрами своего шифра. Таблица 4.1 Исходные электрические, эксплуатационные данные и материалы Исходные данные и варианты 2 3 4 5 6 7 8 Предпоследняя цифра шифра 1 2 3 4 5 6 7 2 3 4 5 6 7 8 15,6 2,4 12,4 4,2 11,6 3,8 14,4 7,8 1,2 6,2 2,1 5,8 1,9 7,2

1 Параметры 1 R1,кОм R2,кОм Кол-во МСБ на 1 подложке С1,пФ С2,пФ Раб.напряжение конденсатора Uр, В Материал диэлектрика конденсатора

2

1

2

1

9

10

11

8 9 1,8 0,9

9 10 13,8 6,9

0 11 4,8 2,4

2

1

1

8 5600 11200

9 3300 6600

0 5100 10200

2

1

1 2000 4000

2 3800 7800

3 2000 4400

9

12

3,9

16

18

9

11

10

8

7

GeO

SiO

Sb2S3

SiO2

Al2O3

Ta2O5

БСС

АСС

ИБС

Ta2O5

Последняя цифра шифра 4 5 6 7 4700 2400 3000 4300 9400 4800 6000 8600

Окончание табл. 4.1 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

17

Мощ1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 ность рассеяния резис14 9 13 10 12 8 11 9 10 9 торов Рi, мВт МатеСпСпСпКерCr Та Ta2N риал лав лав NiCr Ta Cr лав мет резисМЛТ РСРСCrторов -3М 3001 3710 SiO δRi = δCi = ± 10% Допуски на номиналы резисторов и конденсаторов Погрешности Погрешность сопротивления Погрешность Погрешность воспроизведевоспроизведения удельной емния поверхностного удельконтактов γRк, % кости γCo, % ного сопротивления γρs, % 2 2 2 Эксплуатационные данные Интервал рабочих температур ∆Τ, 0С Время эксплуатации ∆t, ч. - 30…+30 103

4.2.2. Технологические требования и ограничения 4.2.2.1. Методы пленочной технологии и характеристики материалов Технологические требования и ограничения, накладываемые при производстве пленочных элементов, определяют возможность изготовления схемы с заданными параметрами, а также определяют выбор варианта пленочной технологии, которая развивается в двух основных направлениях: по пути создания элементов на основе толстых (толстопленочная технология) и тонких (тонкопленочная технология) пленок. Каждая из указанных технологий имеет свои преимущества и недостатки. Толстопленочная технология - более простая, экономичная и дешевая, однако имеет существенные технические недостатки: обеспечивает изготовление пленочных элементов со значительным относительным отклонением (погрешностью изготовления) от номинала (10…15)%, имеет низкую воспроизводимость параметров. Тонкопленочная технология, несмотря на более сложные технологические циклы, имеет существенное преимущество перед толстопленочной технологией. Она обеспечивает более точное изготовление интегральных элементов с отклонениями от номинальных значений пленочных элементов в 1…10%, а при соответствующих методах подгонки эта величина может быть уменьшена до десятых долей %. Кроме того, при тонкопленочной технологии осуществляется высокая воспроизводимость параметров и более высокая степень интеграции микросхем. Выбор той или иной технологии является одним из основных этапов

18

проектирования интегральных микросхем (ИМС), так как на этом этапе, в зависимости от выбранной технологии, осуществляется выбор материалов пленочных элементов ИМС: резисторов, конденсаторов, проводников и контактных площадок, а также подложек и защитного слоя. Выбранные материалы должны обеспечивать: - высокую степень интеграции пленочных элементов ИМС; - необходимую точность и стабильность параметров в соответствии с электрическими и эксплуатационными требованиями; - высокую надежность при минимальных технологических затратах; - простоту и экономичность технологических процессов при изготовлении элементов. Характеристики материалов пленочных резисторов, конденсаторов, подложек, проводников и контактных площадок, защитных слоев приведены в табл. 4.2 – 4.6. Таблица 4.2 Характеристики материалов пленочных резисторов Материал резистора

Хром (Cr) Нихром (NiCr) Сплав МЛТ3М Рений Тантал (Та) Ta Нитрид тантала (Та2N) Сплав РС3001 Сплав РС3710 Кермет (CrSiO) К-50С

Материал контактных площадок

Удельное поверхностное сопротивление ρS, Ом/□

Золото

10…50

-2,5 ⋅10-4

1

(1,5…3)⋅10-5

Медь

300

±10-4

2

(1,1...1,3) ⋅10-5

500

±2⋅10-4

2

±0,5⋅10-5

300… 7000

(0…20)⋅10-4

Медь с подслоем нихрома Алюминий с подслоем нихрома (ванадия) Ta Та Золото с подслоем нихрома То же

Температурный коэфУдельная фициент со- мощность противления рассеяния TKR, Р0, 1/град Вт/см2

Коэффициент старения резистора КстR, 1/ч.

-

Способ нанесения пленок Термическое напыление То же То же То же Катодное распыление

20…100

- 2⋅10-4

3

10-5

10

- 2⋅10-4

3

10-5

То же

200 1000… 2000

0

3

0,2⋅10-5

-0,2⋅10-4

2

±0,5⋅10-5

3000

- 3⋅10-4

2

-

То же Термическое напыление То же

3000… 10000

(-5…+3)⋅10-4

2

±10-5

То же

Таблица 4.3 Характеристики материалов пленочных конденсаторов Температурный коэффициент емкости ТКС, град-1 (2…3,5)⋅10-4

Электрическая прочность Епр, В/см

Коэффициент старения емкости КстC, 1/час

5⋅103…104

Тангенс угла диэлектрических потерь tgδ на частоте 1кГц 0,01…0,02

(2…3) ⋅106

±(1,5…6)⋅10-5

10…12

(5…15)⋅103

0,001

(3…5)⋅10-4

1⋅106

10-5

То же

4

2⋅104

0,5

2⋅10-4

(5…10)⋅106

10-5

То же

14

2,2⋅104

0,004

2⋅10-4

2⋅105

10-5

Алюминий+никель

8

(3…4)⋅104

0,3…1

(3…4) ⋅10-4

5⋅106

10-5

20…23

(5…20)⋅104

0,002

4⋅10-4

2⋅106

±10-5

Диэлектрическая проницаемость ε на частоте 1кГц

Удельная емкость С0, пФ/см2

Материал диэлектрика

Материал обкладок

Моноокись кремния (SiO) Моноокись германия (GeO) Оксид кремния (SiO2)

Алюминий (Al)

5…6

То же

Сурьма (Sb2S3) Окись алюминия (Al2O3) Окись тантала (Та2О5) Боросиликатное стекло (БСС) Алюмосиликатное стекло(АСС) Иттрийборитное стекло(ИБС)

Способ нанесения пленок Термическое напыление То же Ионноплазменное или реактивное распыление То же Реактивное распыление, анодное окисление

Тантал+ванадий Алюминий+ванадий, алюминий+ титан

3,9…4,2

15000

0,001

0,2⋅10-4

(3…5) ⋅106

10-5

Термическое напыление

То же

5,2…5,5

30000

0,003

1,5⋅10-4

(3…5) ⋅106

10-5

То же

То же

10-12

60000

0,007

5⋅10-4

(2…3) ⋅106

10-5

То же

То же

20

Таблица 4.4 Характеристики материалов подложек гибридных ИМС Материал Характеристика

Класс чистоты обработки Температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР (х107) при Т=20…3000С, 1/град Коэффициент теплопроводности, Вт/(м ⋅ 0С) Диэлектрическая проницаемость при f=1МГц и Т=200С Тангенс угла диэлектрических потерь tgδ (х104) при f=1МГц и Т=200С Объемное удельное сопротивление ρV при Т=250С, Ом⋅см Электрическая прочность Епр, кВ/мм

Стекло С41-1 С48-3

Ситалл СТ50-1

Плавленый кварц

22ХС (96% Al2O3)

Керамика Поликор Глазурованная

Брокерит (98% ВеО) Микронеровности до 0,45 мкм

Металл

Полиимид ПМ-1

12…14

12…14

14

14

13…14

14

12

12…14

14

41±2

48±2

50±2

55

60±5

70…75

73…78

70

62

200

1

1,5

1,5

7…15

10

30…45

1,2…1,7

210

40

4.5

7,5

3,2…8

5…8,5

3,8

10,3

10,5

13…16

6,4…9,5

6…7

3,5

20

15

20

-

6

10

18

16

6

30

1017

1014

-

1015

-

-

-

1014

1014

1017

40

40

-

-

50

-

50

20

-

15

Таблица 4.5 Характеристики многокомпонентных систем тонкопленочных проводников и контактных площадок Материал подслоя, слоя и покрытия

Толщина слоев, мкм

Подслой-нихром Х20Н80 Слой-золото Зл 999,9 Подслой-нихром Х20Н80. Слой-медь МВ (вакуумплавленная) Покрытие-никель

0,01…0,03

Подслой-нихром Х20Н80 Слой-медь МВ (вакуумплавленная) Покрытие-золото Зл999,9 Подслой-нихром Х20Н80 Слой-алюминий А97 Подслой-нихром Х20Н80 Слой-алюминий А99 Покрытие-никель

Удельное поверхностное сопротивление ρS, Ом/□ 0,03…0,05

0,6…0,8

Рекомендуемый способ контактирования внешних выводов Пайка микропаяльником или сварка импульсным косвенным нагревом

0,01…0,03 0,02…0,04

Сварка импульсным косвенным нагревом

0,02…0,04

Пайка микропаяльником или сварка импульсным косвенным нагревом

0,6…0,8 0,08…0,12 0,01…0,03 0,6…0,8 0,05…0,06 0,01…0,03 0,3…0,5 0,04…0,05 0,25…0,35 0,05

Сварка сдвоенным электродом 0,06…0,1 Сварка импульсным косвенным нагревом 0,1…0,2

Таблица 4.6 Характеристики материалов, применяемых для защиты элементов Материал диэлектрика 1 Моноокись кремния (SiO) Халькогенидное стекло ИКС24 Негативный фоторезист ФН-108 Фоторезист ФН-11

Удельная емкость С0 , пФ/мм2 2

Тангенс угла диэлектрических потерь tgδ на частоте f =1 кГц 3

Удельное объемное сопротивление ρV, Ом⋅см 4

Электрическая прочность Епр, В/см 5

Температурный коэффициент емкости ТКС при Т=-60…85°С, 1/град 6

17

0,03

1012

3⋅106

5⋅10-4

50

0,01

1012

4⋅105

5⋅10-4

12

0,01

1012

105

5⋅10-4

50-80

-

3⋅1012

6⋅105

-

22

Окончание табл.4.6 1 Лак полиимидный электроизоляционный Оксид кремния (SiO2) Паста ПД-3 Паста ПД-4

2

3

4

5

6

80…100

-

2⋅1012

5⋅105

-

100

-

1013

6⋅105

-

160 220

0.002 0,003

-

5⋅105 5⋅105

3⋅10-4 3⋅10-4

При разработке топологии и технологии изготовления МСБ следует руководствоваться: а) технологическими ограничениями, вызванными следующими геометрическими погрешностями при изготовлении пленочных элементов: - ошибкой изготовления рисунка в маске (фотошаблона) ± ∆; - ошибкой линейных размеров ± ∆b и ± ∆ℓ; - ошибкой совмещения маски (фотошаблона) с подложкой ± ∆h. Для биметаллических масок ∆ = ± 10 мкм, ∆ℓ = ∆b = ± 10 мкм, ∆h = ± (1…3) мкм. б) технологическими требованиями: - последовательность нанесения слоев пленочной структуры должна строго соблюдаться для выбранного метода изготовления; - оригинал пленочной и гибридной ИМС должен изготавливаться в соответствии с топологическим чертежом, выполненным в прямоугольной системе координат в масштабе 10:1 или 20:1; - при разработке топологических чертежей должны предусматриваться технологические периферийные поля: при масочном методе не менее 0,5 мм, при фотолитографии не менее 1 мм. 4.2.2.2. Основные ограничения, накладываемые тонкопленочной технологией 1. 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. 2. Для совмещения элементов, расположенных в разных слоях, предусматривается перекрытие не менее 200 мкм при масочном и совмещенном методах и менее 100 мкм при фотолитографии. 3. Для измерения номиналов пленочных элементов и контроля режимов

23

схемы предусматриваются контактные площадки размером не менее 200х200 мкм. 4. Минимально допустимое расстояние между пленочными элементами (в том числе, и контактными площадками) составляет 300 мкм при масочном методе и 100 мкм при фотолитографии. 5. Минимальное номинальное значение сопротивления пленочного резистора устанавливается в 50 Ом, при этом длина резистора не должна быть менее 100 мкм. 6. Минимально допустимая ширина пленочных резисторов составляет 100 мкм при масочном методе и фотолитографии и 50 мкм при танталовой технологии. 7. 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). 8. Минимально допустимая ширина пленочных проводников составляет 100 мкм при масочном методе и 50 мкм при фотолитографии и танталовой технологии. 9. 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. 10. Минимально допустимые размеры контактных площадок составляют: при приварке гибких выводов 200х150 мкм, для припайки 400х400 мкм. 11. Не рекомендуется проектировать пленочные резисторы с числом квадратов менее 0,1 и конденсаторы с площадями менее 0,5х0,5 мм и суммарной площадью более 2 см. 4.2.2.3. Основные ограничения в толстопленочной технологии 1. Точность изготовления толстопленочных элементов составляет ± (0,05…0,1) мм при использовании проводящих паст и ± 0,1 мм при использовании резистивных и диэлектрических паст. 2. Минимальное расстояние между краями пленочных элементов и платы равно 0,1 мм. 3. Минимальные расстояния между краями платы и отверстиями под внешние выводы должны быть 0,5 мм. 4. Минимально допустимые расстояния между пленочными элементами должны быть 0,05…0,3 мм (в зависимости от типа паст) в одном слое и 0,4 мм – в разных слоях.

24

5. Минимальная ширина пленочных проводников составляет 0,15…0,2 мм при нанесении пасты на диэлектрический слой (в зависимости от типа паст). 6. Номинальные значения сопротивлений резисторов составляют 25 Ом…1 МОм, емкостей конденсаторов 50…2500 пФ. 7. Минимальная ширина резисторов составляет 0,8 мм. 8. Допустимое отклонение сопротивления резистора до подгонки не должно превышать 50% от номинального значения, максимальная точность подгонки ± 2%. 9. У толстопленочных конденсаторов нижняя обкладка должна выступать за край верхней не менее чем на 0,3 мм, диэлектрик должен выступать за край нижней обкладки не менее чем на 0,2 мм. 10. Минимальные размеры контактных площадок должны быть 0,4х0,4 мм. 11. Минимальное перекрытие проводящего слоя резистивным должно быть 0,1 мм. 12. Минимальные расстояния компонентов от края платы должны составлять 1мм. 4.2.3. Конструктивные данные и требования Конструктивные данные характеризуют: а) объем и форму гибридной ИМС; б) размеры платы (подложки), число и расположение выводов; г) размеры и способ монтажа компонентов; д) 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. 4.7. Платы с типоразмерами N 3…10 используются в стандартных корпусах, остальные – в бескорпусных ИМС и микросборках. Таблица 4.7 Типоразмеры плат (подложек) № типоразмера 1 2 3 4 5 6 7

Ширина, Мм

Длина, мм

96 60 48 30 24 20 16

120 96 60 48 30 24 20

№ типоразмера 8 9 10 11 12 13 14

Ширина, Мм

Длина, мм

12 10 10 5 2,5 16 32

6 16 12 6 4 60 60

№ типоразмера 15 16 17 18 19 -

Ширина, мм

Длина, мм

8 8 24 20 20 -

15 10 60 45 45 -

25

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. 4.3. Принципы проектирования пленочных ИМС 4.3.1. Этапы и принципы проектирования Проектирование осуществляется в результате выполнения четырех основных этапов, включающих в себя: 1) разработку коммутационной схемы соединений элементов на подложке; 2) расчет геометрических размеров и выбор формы пленочных элементов ИМС; 3) определение минимальных размеров подложки (платы), выбор ее типоразмера в соответствии с табл.4.7, а также выбор типоразмера корпуса; 4) разработку топологии ИМС; Основными принципами проектирования на всех этапах являются: - минимизация площади, занимаемой элементами, компонентами и схемой в целом; - минимизация числа пересечений межэлементных соединений; - равномерное расположение элементов и компонентов по площади; - минимизация числа используемых материалов для создания пленочных элементов ИМС; - повышение степени интеграции элементов и технологических процессов. 4.3.2. Разработка коммутационной схемы соединений Этот этап проектирования осуществляется с целью преобразования исходной электрической схемы ИМС для составления схематического плана размещения элементов и соединений между ними на подложке

26

ИМС. При этом следует руководствоваться следующими принципами: 1) упрощения конфигурации электрической схемы для уменьшения числа пересечений изгибов, получения прямых линий; 2) выделения на преобразованной схеме пленочных и навесных элементов; 3) обеспечения электрической схемы внутренними и внешними контактными площадками; 4) рассмотрения пассивной части ИМС в качестве графа, у которого вершинами являются контактные площадки, а ребра представляют собой пассивные элементы электрической схемы. Методика преобразования электрической схемы состоит в следующем: 1) ребра графа перекладываются до тех пор, пока число пересечений внутрисхемных соединений не будет сведено к минимуму; 2) элементы и соединения располагаются с учетом равномерного распределения мощности рассеяния; 3) контактные площадки располагаются равномерно на поверхности подложки с учетом кратчайшего прохождения электрических сигналов с целью уменьшения их искажений. На коммутационной схеме пассивные и внутрисхемные соединения выделяются определенным цветом и более толстыми линиями, чем активные элементы гибридной ИМС. Кроме того, следует изображать пленочные резисторы таким образом, чтобы большим номинальным значениям соответствовали более узкие и длинные геометрические конфигурации. 4.3.3.Расчет геометрических размеров и выбор формы пленочных элементов ИМС 4.3.3.1. Расчет пленочных резисторов Конструктивно пленочный резистор представляет собой резистивную пленку, нанесенную на соответствующую подложку и состыкованную с контактными площадками. Исходными данными для расчета пленочных резисторов являются схемотехнические данные и данные по материалам (см. табл.4.1). Цель расчета – определение геометрических размеров и формы пленочных резисторов, обеспечивающих получение резисторов с воспроизводимыми и стабильными параметрами. Основным требованием при проектировании тонкопленочных и толстопленочных резисторов является минимальная площадь SRi, занимаемая резистором, где i – номер резистора в исходной электрической схеме. Классификация пленочных резисторов. Пленочные резисторы, используемые в гибридных ИМС, подразделяются по технологии изготовле

27

ния на тонкопленочные и толстопленочные, а по своей конструкции - на простые прямоугольной формы и резисторы сложной формы. Толстопленочные резисторы изготавливаются только прямоугольной формы, а тонкопленочные - простой и сложной конфигурации. Одной из наиболее распространенных конфигураций тонкопленочных резисторов сложной формы являются резисторы типа «меандр». Последние представляют собой сплошную резистивную пленку в виде звеньев. Основные параметры пленочных резисторов: 1) номинальное значение сопротивления (номинал) Ri ; 2) допуск на номинал ± δRi [%]; 3) мощность рассеяния PRi; 4) температурный коэффициент сопротивления ТКR= αRi; 5) коэффициент старения резистора КстR; 6) интервал рабочих температур ∆Τ=Tв−Tн, где Тв и Тн – верхнее и нижнее значения температур эксплуатации; 7) время эксплуатации ∆t; 8) надежность . Параметры резисторов зависят от материала резистивной пленки, способа нанесения пленки на подложку, способа получения необходимой конфигурации. Номинальное значение сопротивления R i определяется по формуле Ri=ρ0 ℓ/S+2Rк , (4.1) или, учитывая, что, как правило, Ri >Rк, Ri=ρ0 ℓ/bd, (4.2) где ρ0 – удельное объемное сопротивление резистивного материала; ℓ, b, d – длина, ширина, и толщина резистивной пленки ; S = bd – площадь поперечного сечения пленки; Rк – переходное сопротивление областей контактов резистивной и проводящей контактной пленок. Для каждого материала в микроэлектронике отношение ρs=ρ0/d - величина постоянная, которая является удельным поверхностным сопротивлением квадратной резистивной пленки и не зависит от размеров квадрата. Размерность величины ρs составляет [Ом/ ]. Значения ρs для различных материалов резистивной пленки приведены в табл. 4.2. В этом случае выражение (4.2): Ri = ρsКф, (4.3) где Кф = ℓ/b – коэффициент формы резистора. Для получения резисторов с различными значениями номиналов Ri можно использовать один и тот же материал резистивной пленки, изменяя параметр Кф.

28

Допуск на номинал δRi определяется относительным изменением (относительной погрешностью) ⏐δRi⏐ = γRi = ∆Ri/Ri сопротивления Ri, вызванным относительными технологическими погрешностями изготовления и дестабилизирующими факторами: ⏐δRi⏐ = ∆Ri /Ri = γRi = γρs + γКф, (4.4) где ∆Ri- абсолютная погрешность воспроизведения номинала Ri; γρs=∆ρs/ρs - относительная погрешность воспроизведения ρs ; ∆ρs - абсолютная погрешность воспроизведения ρs; γКф= ∆ℓ/ℓ +∆b/b - относительная погрешность коэффициента формы Кф; ∆ℓ и ∆b – абсолютные погрешности воспроизведения длины и ширины резистора соответственно. В реальных условиях эксплуатации величина δRi зависит также от температурной погрешности γRт, погрешности γRк переходных сопротивлений областей контактов и погрешности γстR , которая определяется коэффициентом старения КстR и характеризует временную нестабильность R i: γRi = γρs + γКф + γRт + γRк + γстR. (4.5) Формулы для расчета приведенных в выражении (4.5) величин приведены ниже. Воспроизведение значений ρs, ℓ , b , которые определяют погрешность резистора, осуществляется при взаимно независимых технологических операциях и сопряжено с их случайными отклонениями в результате неточностей при технологических операциях и отклонениями геометрических размеров используемых масок и фотошаблонов. Мощность рассеяния PRi резистором определяется удельной мощностью рассеяния P0 материала резистивной пленки, которая является для данного материала постоянной величиной и имеет размерность [Вт/см2 ] (см. табл. 4.2), и площадью SRi, занимаемой резистором: (4.6) PRi = P0SRi = P0ℓb ≥ Ui2/ Ri , где Ui – напряжение на резисторе. Чтобы параметры пленочного резистора удовлетворяли исходным электрическим данным, необходимо, чтобы выполнялось условие PRi.≥ Рi, где Рi – заданная мощность рассеяния i-го сопротивления в исходной электрической схеме (см. табл. 4.1). Температурный коэффициент сопротивления ТКR = αRi описывает температурные изменения сопротивления резистора при изменении температуры. Он имеет размерность [1/град] и определяется по формуле αRi = ∆Ri/Ri(Tн )(T–Tн) = γRт ⁄ ( T –Tн).

(4.7)

29

Из (4.7) следует, что относительная температурная погрешность γRт = ∆Ri/Ri (T) определяется выражением γRт = αRi ∆T, (4.8.) где ∆T=T−Tн. Коэффициент старения КстR характеризует временную нестабильность сопротивления R(t) и определяется по формуле КстR = γстR/∆t, (4.9) где ∆t – время эксплуатации. За время эксплуатации ∆t относительное изменение сопротивления составляет γстR = КстR∆t. (4.10) Для уменьшения площади SRi, занимаемой резистором, необходимо увеличивать Кф за счет уменьшения ширины b резистивной пленки. Минимальное значение bmin ограничено технологическими ограничениями, поэтому при b = bmin номинальное значение Ri достигается за счет увеличения длины ℓ. Для прямоугольных резисторов максимальная длина ℓ ограничена величиной Кф = 10, а для резисторов с Кф> 10 применяются конфигурации сложной формы. При расчете тонкопленочных резисторов следует руководствоваться следующей методикой. Производится расчет коэффициента формы Кф для определения степени сложности геометрической конфигурации резисторов. Расчет основывается на исходных данных, приведенных в табл.4.1. Величина Кф с учетом численных значений номинала Ri и ρs [Ом/ ], которое выбирается из табл. 4.2, рассчитывается по формуле (4.11) Кф = Ri/ρs . Возможны два случая, когда Кф ≤ 10 и Кф>10. В первом случае осуществляется расчет резисторов прямоугольной конфигурации (см. рис. 4.2), во втором - сложной геометрической формы типа «меандр» (см. рис. 4.3). b

Контактная площадка

2-е зв.

4-е зв.

b

В

Y

ℓ

X t а 3-е 1-е зв. зв. А

Рис. 4.2.

5-е зв.

Рис. 4.3.

Контактная площадка

30

На рис. 4.3 изображен “меандр”, состоящий из пяти Г-образных звеньев, и введены следующие обозначения: t = b + a – период ( шаг) звеньев; b – ширина резистивной пленки; а – расстояние между резистивными полосками; А и В - габаритные размеры “меандра” вдоль осей X и Y соответственно. Методика расчета резисторов прямоугольной формы с 1 ≤ Кф ≤ 10 Расчет ширины bр резистора осуществляется по формуле bp = P i P 0 K Ф , (4.12) где Рi – мощность рассеяния резистора; Р0 – удельная мощность рассеяния материала пленки резистора (берется из табл. 4.2). Определяется расчетная ширина bрасч резистора bрасч ≥ max{bтехн , bточн , bp}, (4.13) где bтехн – величина, обусловленная технологическими ограничениями (см. п. 4.2.2.2); bточн = [∆b+(∆ℓ/Kф)]/γКф доп , (4.14) где γКф доп - допустимая погрешность коэффициента формы резистора, которая определяется из выражения (4.5): γКф доп = γRi − γρs − γстR − γRт − γRк , (4.15) где γRi = ⏐δRi⏐- погрешность номинала Ri берется из исходных данных (см. табл. 4.1); γρs = 0,02 (2%) - погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления; γRк = 0,01…0,02 (1…2 %); γстR- рассчитывается по формуле (4.10), в которую подставляется величина ∆t из исходных данных (см. табл. 4.1) и КстR из табл. 4.2; γRт – рассчитывается по формуле (4.8), в которую величины интервала температур ∆Τ и αRi ( ТКR) подставляются соответственно из табл. 4.1 и 4.2; ∆b = ∆ℓ – погрешности, вызванные точностью изготовления геометрических контуров пленки, которые при масочном методе изготовления составляют ± 10 мкм. Расчет длины ℓрасч. резистивной пленки. ℓрасч. = bрасч.Кф (4.16) Расчет полной длины ℓполн. длины резистора. ℓполн. = ℓрасч. + 2e, (4.17) где е – размер перекрытия резистивной пленки с контактной площадкой, который обусловлен технологическими ограничениями (см. п. 4.2.2.2), например, при изготовлении резисторов масочным способом еmin = 200 мкм. Определение площади SRi резистора. SRi = ℓполн. bрасч. , (4.18) где bрасч. и ℓполн..– рассчитываются по формулам (4.13) и (4.17) соответственно. Расчет мощности РRi. рассеяния резистором.

31

РRi = SR iP0 , (4.19) где Р0 – удельная мощность рассеяния материала резистивной пленки, значение которой берется из табл. 4.2. Определение коэффициента запаса КЗ по мощности рассеяния. КЗ = PRi/Pi . (4.20) Если КЗ ≤ 1, то следует выбрать другой материал резистивной пленки с большим значением Р0 или увеличить ширину bрасч. резистора на 10…25%. Методика расчета тонкопленочных резисторов с Кф<1 Методика расчета таких резисторов аналогична предыдущей. Отличие состоит в том, что вместо ширины b резистора сначала определяется расчетное значение длины ℓрасч., которое рассчитывается так же, как и bрасч., из условия (4.13), где вместо b подставляется ℓ. Величина ℓтехн имеет тот же смысл, что и bтехн. Значения ℓp и ℓточн рассчитываются по формулам соответственно (4.12) и (4.14) с заменой b на ℓ. Далее определяется ширина bрасч. резистора по формуле bрасч. = ℓрасч / Kф. (4.21) Методика расчета остальных параметров SRi , PRi и КЗ такая же, как и в предыдущем случае для 1 ≤ Кф ≤ 10. Методика расчета тонкопленочных резисторов с Кф>10 сложной конфигурации типа “меандр” Геометрическая конфигурация меандра, состоящего из Г- образных звеньев, изображена на рис. 4.3. Расчет Кф и bрасч. осуществляется по формулам (4.11)- (4.15). Определение оптимального числа звеньев nопт «меандра». Значение nопт. рассчитывается, исходя из условия минимизации площади SRi «меандра». Минимальное значение SRi достигается при меандре квадратной формы , когда выполняются условия А=В и a = bрасч.. В этом случае nопт.= К ф

2

.

(4.22)

Расчет шага t одного звена меандра. Величина t рассчитывается по формуле t = a + bрасч. = 2bрасч. . (4.23) Определение габаритного размера А. Значение А рассчитывается по формуле A = B = t nопт. = 2bрасч.nопт. . (4.24) Расчет уточненного габаритного размера B=B0. Необходимость корректировки размера B вызвана следующими причинами. Величина B по-

32

лучена в предположении, что общая длина ℓ резистивной пленки, свернутой в виде меандра и обеспечивающей достижение номинала сопротивления Ri , равна длине вытянутой прямолинейной полоски, т.е. ℓ = bрасч.Кф. На самом деле, при свертывании прямолинейной полоски в меандр общее сопротивление резистивной пленки увеличивается из-за увеличения сопротивления Rи в местах прямоугольных изгибов. В связи с этим сопротивление меандра Rim превышает заданное номинальное значение сопротивления Ri, в связи с чем возникает необходимость в изменении геометрических размеров меандра. Корректировка осуществляется за счет изменения параметра B, оставляя неизменными ширину bрасч. резистивной пленки и размер А. Уточненное значение размера B0 определяется по следующей формуле: B0 = B – bрасч.[(mи Rи /ρsnопт.) - 2], (4.25) где B=A – рассчитывается по формуле (4.24); mи = 2nопт.- 1 – число прямоугольных изгибов; Rи= 2,55ρs – сопротивление одного прямоугольного изгиба. Расчет длины ℓм резистивной пленки меандра. ℓм = nопт.(B0 + bрасч.), (4.26) где bрасч., nопт. и B0 – рассчитываются соответственно по формулам (4.13), (4.22) и (4.25). Определение полной длины резистивной пленки. ℓполн. = ℓм + 2e, (4.27) где e – размер перекрытия контактной площадкой резистивной пленки выбирается из технологических ограничений (см. п. 4.2.2.2). Расчет габаритной площади Sг , занимаемой меандром. (4.28) Sг = AB0 . Определение площади SRi резистивной пленки . (4.29) SRi = ℓполн. bрасч. . Мощность рассеяния PRi резистором. (4.30) PRi = SRi P0, где P0 – удельная мощность рассеяния резистивной пленки (см. табл.4.2). Определение коэффициента КЗ запаса по мощности . КЗ = РRi / Pi . (4.31) Если в результате расчета величина КЗ ≤ 1, то следует воспользоваться рекомендациями, которые были даны для резисторов прямоугольной формы. Определение общей площади резисторов ИМС Общая площадь SRI резисторов, расположенных на подложке ИМС, рассчитывается по формуле I SRI = ∑ SRi , (4.32) i =1

33

где I – количество резисторов на подложке. 4.3.3.2. Расчет пленочных 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 пленочных конденсаторов, обеспечивающих получение конденсаторов с воспроизводимыми и стабильными параметрами. Основным требованием при проектировании тонкопленочных и толстопленочных конденсаторов так же, как и для пленочных резисторов, является минимальная площадь SCi , занимаемая конденсатором. Классификация пленочных конденсаторов. Пленочные конденсаторы по технологии изготовления подразделяются так же, как и резисторы, на тонкопленочные и толстопленочные, а по конструкции - на конденсаторы с простой прямоугольной (квадратной) формой и сложной фигурной формой, например в виде гребенки (ВЧ и СВЧ конденсаторы). Геометрическая форма конденсатора выбирается, исходя из требования компактного размещения тонкопленочных элементов на подложке. Толстопленочные конденсаторы изготавливаются только прямоугольной или квадратной формы. Современная технология позволяет проектировать и изготавливать тонкопленочные конденсаторы с номинальной емкостью Ci до 105 пФ и допуском на номинал δCi = ±(5…10)%, а толстопленочные от 500 до 2500 пФ с δCi=±15%. При проектировании пленочных конденсаторов следует руководствоваться следующими рекомендациями по конструкции: a) конденсаторы повышенной емкости в сотни-тысячи пФ следует проектировать таким образом, чтобы верхняя обкладка вписывалась в контур нижней обкладки; b) конденсаторы емкостью в десятки пФ изготавливаются в виде пересекающихся проводников одинаковой ширины, которые разделены слоем диэлектрика. Исходные данные для расчета пленочных конденсаторов представлены в табл.4.1. Основные параметры пленочных конденсаторов. 1) номинальное значение конденсатора (номинал) Ci , где i – номер конденсатора в исходной электрической схеме; 2) допуск на номинал ( погрешность) ± δCi [%]; 3) электрическая прочность Eпр ;

34

4) рабочее напряжение Up; 5) добротность Qi ; 6) сопротивление утечки Rут.; a) температурный коэффициент емкости ТКC = αCi; 7) коэффициент старения емкости КстC ; 8) диапазон рабочих частот ∆f; 9) интервал рабочих температур ∆Τ = Tв−Tн, где Tв и Тн - верхнее и нижнее значения температур эксплуатации; 10) время эксплуатации ∆t; 11) надежность . Номинальное значение емкости Ci определяется по формуле Ci = εε0 S /d = 0,0885εS/d, [пФ], где ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика между обкладками; ε0 = 0,0885 пФ/см – электрическая постоянная, S – площадь перекрытия диэлектрика обкладками [см2]; d – толщина диэлектрика, [см]. При использовании конденсаторов с многослойной структурой диэлектрических слоев Ci = 0,0885εnS/d, [пФ], (4. 33) где n – число диэлектрических слоев между обкладками. Емкость пленочных конденсаторов удобно выражать через удельную емкость C0, [пФ/см2] : Ci = С0S ,[пФ], (4.34) где C0 = 0,0885ε/d . Допуск на номинал δCi . Допуск ⎮δCi⎮ = γCi = ∆Ci/Ci определяется относительным изменением емкости (относительной погрешностью γCi), обусловленным погрешностями при изготовлении конденсатора, а также эксплуатационными дестабилизирующими факторами из-за изменения температуры ∆T и старением материалов КстC. Полная относительная погрешность номинала емкости Ci конденсатора ⎮δCi⎮= γCi = γCo + γSдоп. + γCт + γстC, (4.35) где γCo = ∆C0/C0 – относительная погрешность воспроизведения удельной емкости, которая составляет γCo ≤ 5% ; γSдоп = ∆Ci/Ci - допустимая относительная погрешность площади конденсатора, вызванная технологическими ограничениями (см. п. 4.2.2) (неточностью изготовления элементов конденсатора - обкладок и слоя диэлектрика); γCт = ∆Ci (T)/ Ci - относительная температурная погрешность, которая зависит от ТКC = αCi материала диэлектрика (см. табл. 4.3); ∆Ci (T) - изменение емкости Ci в зависимости от температуры T; γстC= ∆Ci (t)/ Ci – отно-

35

сительная погрешность, вызванная старением материалов пленок конденсатора в зависимости от времени t, зависит от коэффициента старения Кст.C . Формулы для расчета величин, входящих в выражение (4.35), приведены ниже. Электрическая прочность Eпр и рабочее напряжение Up. Электрическая прочность E пр. конденсатора определяется электрической прочностью материала диэлектрика (см. табл. 4.3) , которая является постоянной величиной для каждого материала. Eпр. – это напряженность поля электрического пробоя диэлектрика, которая определяется напряжением Uпр пробоя диэлектрика и рассчитывается по формуле Eпр.= Uпр./d . (4.36) Для нормальной работы конденсатора необходимо, чтобы рабочее напряжение Up< Uпр. Поэтому при расчетах вводится коэффициент запаса kз =Uпр/Up , который для большинства пленочных конденсаторов составляет kз = 2…3. Следовательно, для надежной работы без пробоев рабочему напряжению Up, как следует из (3.36), должна отвечать соответствующая минимальная толщина d диэлектрика: d = kзUp/Eпр. . (4.37) Добротность Qi конденсатора является характеристикой потерь энергии в конденсаторе и определяется тангенсом угла потерь tgδi : Qi = 1/tgδi , (4.38) где tgδi = tgδд + tgδоб ; (4.39) tgδд – тангенс угла диэлектрических потерь в диэлектрике, который является постоянной справочной величиной, его значение берется из табл. 4.3; tgδоб – тангенс угла потерь в обкладках конденсатора, который определяется по формуле tgδоб = 4πƒ Ci(rв + rн)/1012 , (4.40) где f = 1000 Гц – частота, на которой измеряются потери (см. табл. 4.3) ; Ci - номинал емкости конденсатора, [пФ]; rв и rн – сопротивления соответственно верхней и нижней обкладок конденсатора, [Ом]. Сопротивление утечки Rут. вызвано током утечки Iут , до которого уменьшается ток в цепи при зарядке конденсатора: Rут = Up/ Iут . (4.41) Температурный коэффициент емкости ТКC = αCi характеризует отклонение ∆Ci (T) емкости от номинального значения Ci в зависимости от изменения температуры ∆Т. Значение αCi является справочной величиной (см. табл. 4.3) и рассчитывается по формуле αCi = [∆Ci (T)/ Ci]/∆Τ = γCт/∆Τ, (4.42)

36

где ∆Τ – интервал рабочих температур. Из (4.42) определяется температурная погрешность γCт = αCi ∆Τ. (4.43) Коэффициент старения КстC емкости характеризует изменение ∆Ci (t) емкости Ci в зависимости от времени t и рассчитывается по формуле КстC = [∆Ci (t)/ Ci ]/∆t = γстC/∆t , (4.44) где ∆t – время эксплуатации конденсатора. Коэффициент старения емкости для пленочных конденсаторов составляет КстC < 5⋅10 –5, [1/час] и задается в исходных данных (см. табл. 4.1). Используя формулу (4.44), определяется погрешность γстC, обусловленная старением материалов: γстC = КстC ∆t . (4.45) При расчете тонкопленочных конденсаторов следует руководствоваться следующей методикой. Для микросборки рекомендуется использовать прямоугольную или квадратную форму конденсаторов. Конфигурация таких конденсаторов представлена на рис. 4.4. A Верхняя обкладка Y B Нижняя обкладка

X Диэлектрик

Рис. 4.4 Расчет тонкопленочных конденсаторов осуществляется на основе исходных данных (см. табл. 4.1). Расчет толщины d диэлектрика конденсатора производится из условия обеспечения электрической прочности Eпр. Значение d определяется по формуле (4.37) d = kЗUp/Eпр. , [см], где kЗ = 3. Определение удельной емкости C0d конденсатора, соответствующей требуемой электрической прочности., осуществляется по формуле C0d = 0,0885ε/d , [пФ/см2], (4.46) где d – толщина, см. Расчет допустимой погрешности γSдоп площади производится из фор-

37

мулы (4.35): γSдоп = γCi - γCo -.γCт - γстC. , (4.47) где γCi =⎮δCi⎮ и γCo - допуск на номинал и погрешность воспроизведения удельной емкости, значения которых приведены в табл. 4.1; γCт – температурная погрешность, которая рассчитывается по формуле (4.43); γстC погрешность, обусловленная старением материалов, рассчитывается по формуле (4.45). Расчет удельной емкости C0S конденсатора, соответствующей допустимой погрешности площади γSдоп конденсатора, для конденсатора прямоугольной формы с площадью верхней площадки S=AxB осуществляется по формуле C0S = Сi(γSдоп /∆A)2 Kф/ (1+Kф)2 , [пФ/см2], (4.48) где γSдоп – рассчитывается по формуле (4.47); Kф = A/B – коэффициент формы конденсатора; A – большая сторона верхней обкладки конденсатора, [см]; ∆A=∆B – ошибка (точность изготовления) линейных размеров, [см], при изготовлении геометрической формы обкладки (см. п. 4.2). Значение Kф выбирается из условия оптимального размещения пленочных элементов на подложке. При выборе конденсатора квадратной формы: A=B, величина Kф =1 и, как следует из (4.48): C0S = Сi(γSдоп /∆A)2 / 4 , [пФ/см2]. (4.49) Определение минимальной удельной емкости С0m конденсатора, обеспечивающей заданное значение Up, а также отвечающей требуемой величине γCi =⎮δCi⎮, осуществляется из условия C0m = min{C0d , C0S}, [пФ/см2]. (4.50) Расчет площади Sв верхней обкладки конденсатора: Sв = Ci / С0m , [см2] . (4.51) 2 2 Если 2 см > Sв > 0,01см , то диэлектрик удовлетворяет требуемым исходным данным. При Sв < 0,01 см2 для того, чтобы увеличить Sв, следует увеличить толщину d диэлектрика или выбрать другой диэлектрик с меньшим ε. Если Sв > 2см2, то выбирается другой диэлектрик с большим значением ε или следует использовать дискретный керамический конденсатор типа К10-9, К10-17. Определение габаритных размеров Ав и Вв верхней обкладки конденсатора. Если выбран конденсатор прямоугольной формы, то размеры обкладки определяются выбранным коэффициентом формы Кф= АВ/ВВ, задаваясь, с учетом технологических требований и ограничений, размером Вв. Тогда Ав= Sв/Вв = S В К Ф . (4.52)

38

Полученные значения Ав и Вв округляются до значений, кратных шагу координатной сетки чертежа топологии ИМС. Для конденсатора квадратной формы Кф=1 (4.53) Ав = Вв = S В . Расчет габаритных размеров Ав и Вн нижней обкладки конденсатора. Для прямоугольного конденсатора Ан = Ав + 2σ, Вн = Вв + 2σ, (4.54) где σ ≥ 200 мкм – технологическое ограничение (см. п. 4.2.2.2) на перекрытие обкладок конденсатора. Для конденсатора квадратной формы Ан = Вн = Ав + 2σ. (4.55) Определение габаритных размеров Ад и Вд диэлектрика. Для прямоугольного конденсатора Ад = Ан + 2g, Вд = Вн + 2g, (4.56) где g ≥ 100 мкм - технологическое ограничение (см. п. 4.2.2.2) на перекрытие нижней обкладки конденсатора диэлектриком. Для конденсатора квадратной формы Ад = Вд = Ан + 2g. (4.57) Определение площади SCi , занимаемой конденсатором. Площадь конденсатора определяется площадью диэлектрика: SCi = Sд = АдВд . (4.58) Расчет добротности Qi конденсатора производится по формуле (4.38) с промежуточными вычислениями по формулам (4.39) и (4.40). При определении tgδоб (см. формулу (4.40)) следует рассчитать сопротивления rн и rв обкладок конденсатора. Для этого из табл. 4.3, 4.5 предварительно определяется материал обкладок конденсатора и его удельное поверхностное сопротивление ρsобкл.. Далее сопротивления обкладок rн и rв рассчитываются по формулам (4.59) rн = Nн ρs обкл , rв = Nв ρs обкл , [Ом], где Nн = Aн/Bн – число квадратов, из которых состоит нижняя обкладка; Nв = Aв/Bв – число квадратов, из которых состоит верхняя обкладка конденсатора. Для конденсатора квадратной формы rв= rв= ρsобкл. , [Ом]. (4.60) Современная технология позволяет изготавливать тонкопленочные конденсаторы с добротностью Qi = 10…100 и более. Определение общей площади конденсаторов на подложке ИМС. Общая площадь SCG пленочных конденсаторов на подложке рассчитывается по формуле G SCG = ∑ SCg , (4.61) g =1

39

где G – количество конденсаторов на подложке ИМС. 4.3.3.3. Расчет пленочных проводников и контактных площадок ИМС Основное назначение пленочных проводников и контактных площадок в пленочных и гибридных ИМС – соединение между собой пленочных элементов и компонентов микросхемы в соответствии с электрической схемой. Контактные площадки представляют собой переходы, которые используются для присоединения элементов микросхемы к проводникам и внешним выводам. Расчеты проводников и контактных площадок осуществляются, исходя из основных требований обеспечения: - минимальных искажений электрических сигналов, передаваемых между элементами и компонентами ИМС; - минимальных электрических потерь и помех; - максимальной надежности. Эти требования обеспечиваются соответствующим выбором: - материалов с низким удельным поверхностным сопротивлением ρs и с высокой адгезией к подложке; - минимальной длины и площади контактных площадок с целью уменьшения собственного сопротивления, паразитной емкости и индуктивности. Методические указания по расчету проводников и контактных площадок Расчет сводится к определению геометрических размеров - необходимой длины, ширины проводников и размеров контактных площадок с учетом разработанной коммутационной схемы соединений ИМС, а также технологических требований и ограничений. Причем следует исходить из основного требования - обеспечения минимальной площади, занимаемой на подложке проводниками и контактами при компактном размещении элементов и компонентов ИМС. Расчеты проводников и контактных площадок рекомендуется проводить по следующей методике. Выбор материала проводников и контактных площадок. Для обеспечения высокой технологичности при производстве ИМС пленочные проводники и контактные площадки изготавливаются из одних и тех же материалов. Эти материалы и их параметры приведены в табл. 4.2. и 4.5. Определение геометрических параметров соединительных проводников Длина ℓiпр i-го проводника, соединенного с резистором номиналом Ri, определяется, исходя из условия Riпр = ρsпрℓiпр / biпр ≤ Rпр.доп = (0,1…0,2)⏐δRi⏐Ri, (4.62)

40

где ρsпр - удельное поверхностное сопротивление материала проводника; biпр – ширина проводника; δRi - отклонение от номинала Ri, заданное в исходных данных (см. табл. 4.1). Из (4.62) получаем ℓiпр≤ (0,1…0,2)biпр⏐δRi⏐ Ri /ρsпр . (4.63) Ширина biпр i-го проводника задается, исходя из условия, что biпр не более ширины резистивной пленки bрасч (см. формулу (4.13)) и соответствует технологическим ограничениям bтехн , т.е. biпр = max {bрасч. , bтехн.}. (4.64) Расчет габаритной площади Siпр i-го проводника производится по следующим формулам. Для проводника прямоугольной формы Siпр = ℓiпр biпр . (4.65) Для проводника сложной формы, состоящего из отдельных прямоугольных участков: M Siпр = ∑ Siпрm, (4.66) m=1

где M –число прямоугольных участков. Общая габаритная площадь SJпр всех проводников на подложке ИМС определяется по формуле J SJпр = ∑ Sjпр, (4.67) j=1

где J – число проводников на подложке, соединяющих через контактные площадки элементы, компоненты и отдельные контактные площадки. 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 ℓпл и ширины bпл контактных площадок осуществляется, исходя из технологических ограничений и требований п. 4.2.2.2. Для второго типа контактов величина biпл(i – номер контактной площадки, соединенной с i-м резистором) выбирается с учетом технологических ограничений при совмещении разных слоев (см. п. 4.2.2.2), а ℓiпл и рассчитывается, исходя из условия

41

Riпл ≤ γRк Ri/2, (4.68) где Ri и Riпл – номиналы сопротивления i-го резистора и сопротивление i-й контактной площадки соответственно; γRк - погрешность переходного сопротивления области контакта “резистор - контактная площадка”, которая составляет γRк ≤ 2 % (см. исходные данные в табл. 4.1). Используя формулу Riпл = ρsпл ℓiпл / biпл , (4.69) где ρsпл = ρsпр., получим из (4.68) соотношение для определения ℓiпл.: ℓiпл. ≤ biпл. γRк Ri/ρsпр2. (4.70) С учетом технологических ограничений (см. п. 4.2.2.2) ℓiпл. выбирается из условия ℓтехн. ≤ ℓiпл. ≤ biпл. γRк Ri/ρsпр2. (4.71) Общая площадь SQпл., занимаемая на подложке контактными площадками, рассчитывается по формуле Q SQпл = ∑ Sqпл , (4.72) q=1

где Q – количество контактных площадок. 4.3.4. Выбор типоразмера подложки ИМС Выбор типоразмера подложки производится по следующей методике. Осуществляется расчет общей площади SΣ , занимаемой пленочными элементами, проводниками и контактными площадками: SΣ = SRI + SCG + SJпр + SQпл , (4.73) где SRI, SCG, SJпр и SQпл – общие площади резисторов, конденсаторов, проводников и контактных площадок, которые рассчитываются по формулам (4.32), (4.61), (4.67), (4.72) соответственно. Определяется необходимая площадь Sп подложки: Sп = SΣ / ks, (4.74) где ks = (0,4…0,6) – выбираемый коэффициент использования подложки. Выбирается из табл. 4.7 ближайший типоразмер подложки по данным расчета (4.73) и (4.74). 4.3.5. Разработка топологии ИМС 4.3.5.1 Исходные данные и требования к 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; 2) рассчитанные геометрические размеры пленочных элементов (резиc-

42

сторов, конденсаторов, проводников и контактных площадок); 3) размеры подложки, платы и тип корпуса ИМС. 4) технологические, электрические (схемотехнические), эксплуатационные и конструктивные данные, требования и ограничения. К разработанной топологии предъявляются следующие основные требования. Она должна: 1) соответствовать заданной электрической схеме; 2) удовлетворять технологическим, электрическим, эксплуатационным и конструктивным требованиям; 3) обеспечивать возможности индивидуального контроля над каждым элементом ИМС ; 4) обеспечивать при эксплуатации необходимый уровень надежности и изоляционной защиты элементов ИМС от внешних физикохимических воздействий. 4.3.5.2. Методические указания по разработке топологии При разработке топологии следует руководствоваться следующими указаниями. 1. Топологический чертеж ИМС вычерчивается на миллиметровой бумаге в масштабе 10:1 или 20:1 и должен включать в себя: - поле подложки с указанием на чертеже ее геометрических размеров; - размещенные на площади подложки все пленочные элементы и компоненты, которые должны иметь прямоугольную форму. 2. Элементы и компоненты размещаются в соответствии с разработанной коммутационной схемой соединений последовательно – параллельным методом вычерчивания, начиная с группы элементов, расположенных в одном из углов платы, причем грани элементов и компонентов располагаются вдоль осей координатной сетки. 3. Размещение элементов и компонентов ИМС осуществляется с требованием экономичного использования площади подложки (платы) с соблюдением конструктивных и технологических допусков по минимально допустимым размерам между элементами, компонентами и краями подложки (платы). 4. Все элементы и компоненты ИМС должны быть снабжены контактными площадками, расположение и размеры которых должны удовлетворять конструктивно-технологическим ограничениям и требованиям. 5. На топологическом чертеже микросборки должен быть размещен ключ, представляющий собой увеличенную контактную площадку, расположенную в левом нижнем углу на большей стороне платы. 6. Составленный чертеж топологии ИМС должен иметь условную рас-

43

краску или штриховку элементов ИМС, причем одинаковые элементы должны иметь одинаковую условную раскраску (штриховку), которая расшифровывается в списке условных обозначений, прилагаемых к топологическому чертежу ИМС . 7. В завершении разработки топологии должен быть выбран, в соответствии с эксплуатационными требованиями, материал защитного слоя ИМС и произведено проектирование его геометрической конфигурации. Материал защитного слоя выбирается из табл. 4.6. 4.4. Разработка технологии изготовления ИМС После разработки топологии пленочной ИМС осуществляется разработка технологии изготовления ИМС, которая основывается на технологических процессах нанесения пленок, указанных в табл. 4.2, 4.3. Типовые процессы тонкопленочной технологии основаны на вакуумных и электрохимических методах нанесения пленок, а также формировании топологического рисунка на подложке ИМС. 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. Метод съемной (свободной) маски. Название метода отражает тот факт, что маска изготавливается и существует вне подложки и может оперативно заменяться на маски других конфигураций в процессе нанесения различных слоев материалов на подложку ИМС. Метод съемной маски является наиболее распространенным при производстве тонкопленочных и гибридных ИМС и используется при нанесении пленок термовакуумным или ионно-плазменным напылением. Сущность метода состоит в экранировании части подложки от частиц напыляемого вещества с помощью трафарета в виде съемной маски, повторяющей топологический рисунок ИМС. Конструктивно съемная маска представляет собой пленку из металлической фольги с отверстиями. Эти отверстия повторяют геометрическую конфигурацию напыляемой пленки. Маска закрепляется в вакуумной камере напротив подложки, чтобы напыляемый материал конденсировался на подложке в незащищенных маской местах. Изготавливаются маски трех типов: монометаллические, биметаллические и биметаллические трехслойные. Материалом при изготовлении

44

служат в основном молибден (Мо), тантал (Та), сталь, бериллиевая бронза. Наибольшее распространение получили биметаллические маски, изготавливаемые на основе бериллиевой бронзы, так как они обеспечивают высокую точность изготовления элементов ± 5 мкм и рассчитаны на длительное применение более 100 циклов напыления. Съемные маски изготавливаются с помощью фотолитографии. Типовой технологический процесс изготовления пассивной части пленочных и гибридных ИМС методом съемной маски осуществляется в соответствии со следующими технологическими циклами: 1) первый цикл – напыление пленки резистивного материала; 2) второй цикл - нанесение пленки проводников и контактных площадок; 3) третий цикл – формирование трехслойной структуры тонкопленочного конденсатора (нижняя обкладка конденсатора, диэлектрик, верхняя обкладка) и защитного диэлектрического слоя ИМС. Первый и второй технологические циклы выполняются в раздельных вакуумных процессах, а третий – в виде непрерывного вакуумного процесса в многопозиционной вакуумной камере, которая содержит несколько раздельных позиций испарения. В каждой из этих позиций помещается испаритель пленочного материала, а над ним перед подложкой располагается съемная маска, через которую осуществляется напыление необходимой конфигурации. Метод контактной маски отличается от предыдущего тем, что сначала на подложке формируется необходимая маска, соответствующая топологической структуре определенного слоя ИМС, а затем осуществляется процесс нанесения пленки. В отличие от съемной маски контактная маска изготавливается на время формирования пленочной структуры, так как после нанесения на подложку материала слоя контактная маска удаляется и на подложке остается необходимая конфигурация пленочной структуры. Контактные маски изготавливаются методом фотолитографии непосредственно на подложке ИМС. В качестве материала маски используется фоторезист, который наносится на поверхность подложки, и в нем формируется конфигурация маски. После нанесения тонкопленочного материала ИМС контактная маска удаляется с поверхности подложки химическим травлением фоторезиста. Основное преимущество данного метода по сравнению с предыдущим в более высокой точности воспроизведения геометрического топологического рисунка пленочной структуры. Кроме того, этот метод применим также и для нанесения тонких пленок электрохимическими методами. Метод фотолитографии. Сущность данного метода и отличие от масочных методов состоит в том, что для формирования тонкопленочных

45

структур на подложку последовательно наносится несколько сплошных пленочных слоев, а далее из них методом фотолитографии формируются необходимые топологические конфигурации каждого слоя ИМС. По сравнению с масочными методами процесс фотолитографии позволяет увеличить точность изготовления пленочных элементов до единиц – десятых долей мкм с более высокой плотностью размещения элементов на подложке. Метод фотолитографии находит свое основное применение при изготовлении прецизионных резисторов сложной формы . Типовой фотолитографический процесс для получения пленочной конфигурации ИМС, состоящей из резисторов, проводников , контактных площадок и конденсаторов, в случае использования двух типов различных материалов осуществляется в соответствии со следующими технологическими циклами: 1) первый цикл – нанесение на подложку первого сплошного слоя резистивной пленки; 2) второй цикл – нанесение поверх первого слоя второго сплошного слоя пленки проводников и контактных площадок; 3) третий цикл – первый фотолитографический процесс для получения конфигурации проводников и контактных площадок; 4) четвертый цикл – второй фотолитографический процесс для получения конфигурации резисторов; 5) пятый цикл – формирование с помощью фоторезиста защитного слоя ИМС. Комбинированный метод основан 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. Наибольшее распространение комбинированный метод нашел для изготовления пленочных и гибридных ИМС, в которых используются пленочные резисторы, конденсаторы, проводники и контактные площадки. Типовой технологический процесс данного метода состоит из следующих технологических циклов: 1) первый цикл - напыление на ситалловую подложку, например СТ 501, первого сплошного резистивного слоя; 2) второй цикл - нанесение поверх первого слоя второго слоя материала проводников и контактных площадок; 3) третий цикл – первая фотолитография для формирования конфигурации проводников и контактных площадок; 4) четвертый цикл – вторая фотолитография для формирования пленочных резисторов;

46

5) пятый цикл - используется метод съемной маски в непрерывном вакуумном процессе напыления нижних обкладок конденсаторов, диэлектрика конденсаторов, верхних обкладок конденсаторов, а также формируется через соответствующую съемную маску защитный диэлектрический слой ИМС. Возможен также и шестой технологический цикл, если защитный слой формируется не методом съемной маски, а с помощью фотолитографии после нанесения на сформированные пленочные элементы ИМС сплошного защитного слоя. 4.4.1. Методические указания по разработке технологии изготовления микросборки На этапе разработки технологии изготовления микросборки исполнитель должен руководствоваться следующими методическими указаниями. 1. Выбрать подложку МСБ (см.табл. 4.4), например СТ50-1, а также из указанных выше технологических методов выбрать необходимый метод изготовления микросборки с использованием технологи-ческих способов нанесения пленок материалов, указанных в варианте работы (см. табл. 4.1, 4.2, 4.3, 4.5). 2. Описать технологические процессы нанесения тонкопленочных слоев и технологические циклы послойного формирования топологической конфигурации микросборки: - резистивный слой, - слой проводников и контактных площадок, - слои обкладок и диэлектрика конденсаторов, - защитный слой . Последовательность формирования слоев по п. 2 описывается в соответствии с выбранным методом в п.1. При этом каждый из технологических циклов должен быть проиллюстрирован эскизами соответствующих масок и полученными соответственно на подложке топологическими рисунками нанесенных пленочных слоев (резистивный слой, слой проводников и т.д). Эскизы должны быть выполнены на миллиметровой бумаге в масштабе 10:1 или 20:1. Примеры иллюстрации технологических циклов формирования тонкопленочного резистора R1 приведены на рис. 4.5 и 4.6. R1

Маска МС1

Подложка Рис.4.5

Резистивная пленка

47

R1 1

Маска МС2

Контактная площадка

Подложка Рис.4.6

На рис.4.5 представлен первый технологический цикл - нанесение резистивного слоя. Второй цикл нанесения слоя контактных площадок показан на рис.4.6. 3. Конфигурация маски защитного слоя должна быть выполнена таким образом, чтобы контактные площадки микросборки, предназначенные для внешних соединений (контактов), были свободными от материала защитного слоя. 4.5. Методические указания по структуре, оформлению и представлению курсовой работы Курсовая работа оформляется на стандартных машинописных листах в печатном или рукописном виде с титульным листом, на котором указываются: - полное название университета; - название дисциплины; - название курсовой работы; - факультет; - номер специальности; - фамилия, имя, отчество исполнителя; - шифр исполнителя; - должность, фамилия, имя, отчество руководителя; - оценка; - дата; - С.-Петербург, год. На втором отдельном листе в рубрике “Содержание” раскрывается содержание работы с перечислением в последовательном порядке номеров разделов и соответствующих им страниц. Структура курсовой работы должна состоять из разделов, указанных

48

в Приложении. Курсовая работа передается исполнителем на проверку руководителю, который после защиты работы выставляет соответствующую оценку с допуском к экзамену по дисциплине « Микроэлектроника».

49

Приложение 1. Задание на курсовую работу В этом разделе формулируется задание на разработку микросборки, дается определение микросборки, как изделия микроэлектроники, указываются характерные признаки и отличительные особенности микросборок от других изделий микроэлектроники. 2. Схемотехнические данные и используемые материалы 2.1. Схема микросборки, электрические и эксплуатационные данные Приводится электрическая схема микросборки с обозначением всех ее элементов и выводов. Электрические, эксплуатационные данные и данные по материалам оформляются в виде отдельных таблиц для резисторов и конденсаторов, в которых указываются их электрические параметры в соответствии с вариантом курсовой работы. 2.2. Материалы, используемые для разработки микросборки В этом параграфе обосновывается выбор материала подложки микросборки. Приводятся, в соответствии с вариантом работы, в виде отдельных таблиц характеристики материалов резисторов, конденсаторов, проводников и контактных площадок, а также защитного слоя с указанием технологических процессов их нанесения. 2.3. Технологические требования и ограничения Указываются только те технологические ограничения и требования тонкопленочной технологии (см. п. 4.2. данного пособия), которые необходимы для расчетов, разработки топологии и изготовления микросборки. 3. Разработка коммутационной схемы соединений В разделе приводятся результаты разработки коммутационной схемы соединений микросборки. Приводится коммутационная схема с обозначе-

50

нием всех элементов и контактных площадок, дается ее описание и вывод о ее соответствии исходной электрической схеме. 4.Расчет тонкопленочных элементов микросборки 4.1. Расчет тонкопленочных резисторов Приводятся результаты последовательного расчета резисторов с обязательным указанием используемых исходных формул и расшифровкой входящих в них обозначений. Там, где при расчетах используются технологические ограничения и требования, указываются соответствующие пункты из параграфа 2.2 настоящего пособия. 4.2. Расчет тонкопленочных конденсаторов Параграф оформляется аналогично предыдущему параграфу 4.1. 4.3. Расчет пленочных проводников и контактных площадок Оформляется так же, как параграфы 4.1 и 4.2. 4.4. Определение общей площади тонкопленочных элементов и выбор типоразмера подложки микросборки Приводятся формулы и результаты последовательного расчета площади отдельных типов элементов (резисторов, конденсаторов, проводников и контактных площадок), а также их общей площади, занимаемой на подложке. Приводится табл. 4.7 с типоразмерами подложек. С учетом коэффициента использования подложки обосновывается выбор соответствующего типоразмера подложки. 4. Разработка топологии микросборки В разделе указываются основные исходные данные для разработки топологии микросборки и ее топологический чертеж, выполненный на миллиметровой бумаге в масштабе 10:1 или 20:1, на котором должны быть обозначены все элементы коммутационной схемы с соответствующей условной раскраской (штриховкой). Дается расшифровка условных обозначений.

51

5. Разработка технологии изготовления микросборки В данном разделе приводятся: - описание основных технологических процессов тонкопленочной технологии, используемых для нанесения тонких пленок соответствующих материалов; - обоснование выбора технологического метода изготовления микросборки; - описание технологических циклов изготовления микросборки с эскизными иллюстрациями формирования соответствующих слоев. 6. Заключение В заключении подводятся итоги разработки микросборки с отражением полученных результатов. Даются рекомендации по их использованию. 7. Литература Приводится список литературы с нумерацией по порядку ссылок в работе на соответствующий литературный источник. Под списком литературы ставится подпись исполнителя и число.

52

CОДЕРЖАНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ 3 1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 4 1.1. Содержание дисциплины по ГОС 4 1.2. Объем дисциплины и виды учебной работы 4 1.3. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА 5 1.3.1.Введение 5 1.3.2. Подложки пленочных, гибридных и полупроводниковых ИМС 5 1.3.3. Пленочная микроэлектроника 6 1.3.3.1. Пленочные структуры и их физические свойства 6 1.3.3.2. Технологические основы пленочной микроэлектроники 6 1.3.4. Полупроводниковая микроэлектроника 6 1.3.4.1. Полупроводники и их физические свойства 7 1.3.4.2. Технологические основы полупроводниковой микроэлектроники 7 1.3.4.3. Технология изготовления полупроводниковых элементов, ИМС и БИС 7 1.3.5. Технология изготовления гибридных ИМС, БИС и МСБ 8 1.3.6. Проектирование пленочных, полупроводниковых и гибридных ИМС, МСБ и БИС 8 1.3.7. Основы функциональной микроэлектроники 8 1.4. ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ 9 1.5. ТЕМЫ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ 9 1.6. ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ 9 1.7. ТЕМАТИКА КУРСОВОЙ РАБОТЫ 10 2. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 10 3. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 14 4. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЕЕ ВЫПОЛНЕНИЮ 15 4.1. Задание на курсовую работу 15 4.2. Исходные данные 15 4.2.1. Схема микросборки, электрические и эксплуатационные данные, используемые материалы 15 4.2.2. Технологические требования и ограничения 17 4.2.2.1. Методы пленочной технологии и характеристики материалов 17 4.2.2.2. Основные ограничения, накладываемые тонкопленочной технологией 22 4.2.2.3. Основные ограничения в толстопленочной технологии 23 4.2.3. Конструктивные данные и требования 24 4.3. Принципы проектирования пленочных ИМС 25 4.3.1. Этапы и принципы проектирования 25 4.3.2. Разработка коммутационной схемы соединений 25

53

4.3.3. Расчет геометрических размеров и выбор формы пленочных элементов ИМС 4.3.3.1. Расчет пленочных резисторов 4.3.3.2. Расчет пленочных конденсаторов 4.3.3.3. Расчет пленочных проводников и контактных площадок ИМС 4.3.4. Выбор типоразмера подложки ИМС 4.3.5. Разработка топологии ИМС 4.3.5.1 Исходные данные и требования к топологии ИМС 4.3.5.2. Методические указания по разработке топологии 4.4. Разработка технологии изготовления ИМС 4.4.1. Методические указания по разработке технологии изготовления микросборки 4.5. Методические указания по структуре, оформлению и представлению курсовой работы Приложение

26 26 33 39 41 41 41 42 43 46 47 49

Редактор И.Н.Садчикова Сводный темплан 2004 г. Лицензия ЛР N 020308 от 14.02.97 Санитарно-эпидемиологическое заключение № 78.01.07.953.П.005641.11.03 от 21.11.2003 г.

Подписано в печать 27.04.04 Б.кн.-журн.

П.л. 3,5 Тираж 130

Формат 60х84 1/16 Б.л. 1,5

РТП РИО СЗТУ

Заказ 795

____________________________________________________________ Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации вузов Санкт-Петербурга 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5