Конструирование микросхем и микропроцессоров

Московский Государственный институт электроники и математики

(Технический университет)

Кафедра: РТУиС

­­

Пояснительная записка

по выполнению курсового проекта на тему:

“Конструирование микросхем и микропроцессоров”

Выполнил: студент группы Р-72

Густов А.М.

Руководитель: доцент кафедры РТУиС,

кандидат технических

наук Мишин Г.Т.

Москва, 1994

Задание на курсовое проектирование

В

данном курсовом проекте требуется разработать комплект конструкторской документации интегральной микросхемы К 237 ХА2. По функциональному назначению разрабатываемая микросхема представляет собой усилитель промежуточной частоты. Микросхема должна быть изготовлена по тонкопленочной технологии методом свободных масок (МСМ) в виде гибридной интегральной микросхемы (ГИМС).

Рис. 1. Схема электрическая принципиальная

Таблица 1. Номиналы элементов схемы:

Для подачи на схему входного сигнала и снятия выходного к микросхеме требуется подключить некоторое количество навесных элементов. Одна из возможных схем включения приведена на следующем рисунке.

Рис. 2. Возможная схема включения

Таблица 2. Номиналы элементов схемы включения

Технические требования:

Конструкцию микросхемы выполнить в соответствии с электрической принципиальной схемой по тонкопленочной технологии методом свободных масок в корпусе.

Микросхема должна удовлетворять общим техническим условиям и удовлетворять следующим требованиям:

• предельная рабочая температура - 150° С;
• расчетное время эксплуатации - 5000 часов;
• вибрация с частотой - 5-2000 Гц;
• удары многократные с ускорением 35;
• удары однократные с ускорением 100;
• ускорения до 50.

Вид производства - мелкосерийное, объем - 5000 в год.

Аннотация

Ц

елью данного курсового проекта является разработка интегральной микросхемы в соответствии с требованиями, приведенными в техническом задании. Микросхема выполняется методом свободных масок по тонкопленочной технологии.

В процессе выполнения работы мы выполнили следующие действия и получили результаты:

- произвели электрический расчет схемы с помощью программы электрического моделирования “VITUS”, в результате которого мы получили необходимые данные для расчета геометрических размеров элементов;

- произвели расчет геометрических размеров элементов и получили их размеры, необходимые для выбора топологии микросхемы;

- произвели выбор подложки для микросхемы и расположили на ней элементы, а также в соответствии с электрической принципиальной схемой сделали соединения между элементами;

- выбрали корпус для микросхемы с тем расчетом, чтобы стандартная подложка с размещенными элементами помещалась в один из корпусов, рекомендуемых ГОСТом 17467-79.

Введение

П

риведем принципы работы и основные характеристики разрабатываемой микросхемы:

Микросхема К 237 ХА 2 предназначена для усиления и детектирования сигналов ПЧ (промежуточной частоты) радиоприемных устройств не имеющих УКВ диапазона, а также для усиления напряжения АРУ (автоматической регулировки усиления). Широкополосный усилитель ПЧ состоит из регулируемого усилителя на транзисторах Т4, Т5 и Т6. Усиленный сигнал поступает на детектор АМ-сигналов (амплитудно-модулированных сигналов), выполненный на составном транзисторе Т7, Т8. Низкочастотный сигнал с резистора R19, включенного в эмиттерную цепь, подается через внешний фильтр на предварительный усилитель НЧ (низкой частоты), а также через резистор R15 на базу транзистора Т3, входящего в усилитель АРУ. Усиленное напряжение АРУ снимается с эмиттера транзистора Т2. Изменение напряжения на эмиттере транзистора Т2 вызывает изменение напряжения питания транзистора Т1, а следовательно и его усиления.

На частоте 465 кГц коэффициент усиления усилителя ПЧ составляет 1200 - 2500. Коэффициент нелинейных искажений не превышает 3%. Если входной сигнал меняется от 0,05 до 3 мВ, то изменение выходного напряжения не превышает 6дБ. Напряжение на выходе системы АРУ при отсутствии выходного сигнала составляет 3 - 4,5 В. Напряжение питания составляет 3,6 - 10 В. Потребляемая мощность не более 35 мВт.

Анализ задания на проект

М

икросхема усиления промежуточной частоты (ПЧ) К 237ХА2 может быть изготовлена по тонкопленочной технологии с применением навесных элементов. Конструкция микросхемы выполняется методом свободной маски, при этом каждый слой тонкопленочной структуры наносится через специальный трафарет. На поверхности подложки сформированы пленочные резисторы, конденсаторы, а также контактные площадки и межэлементные соединения. Пленочная технология не предусматривает изготовление транзисторов, поэтому транзисторы выполнены в виде навесных элементов, приклеенных на подложку микросхемы. Выводы транзисторов привариваются к соответствующим контактным площадкам.

Электрический расчет принципиальной схемы

Э

лектрический расчет производился с помощью системы “VITUS”.

Система VITUS - это компьютерное инструментальное средство разработчика электронных схем. Система VITUS позволяет рассчитать токи, напряжения, мощности во всех узлах и элементах схемы, частотные и спектральные характеристики схемы. Система VITUS объединяет в себе компьютерный аналог вольтметров, амперметров и ваттметров постоянного и переменного тока, генераторов сигналов произвольной формы, многоканального осциллографа, измерителя частотных характе-ристик.

Система VITUS :

• позволяет описывать принципиальную схему как в графическом виде, так и на встроенном входном языке;
• выводит требуемые результаты расчета в графическом виде;
• снабжена справочником параметров элементов;
• работает под управлением дружественного интерфейса.

Основной задачей электрического расчета является определение мощностей, рассеиваемых резисторами и рабочих напряжений на обкладках конденсаторов. В результате расчета были получены реальные значения мощностей и напряжений, которые являются исходными данными для расчета геометрических размеров элементов.

Результаты расчета приводятся в расчете геометрических размеров элементов.

Данные для расчета геометрических размеров тонкопленочных элементов

Таблица 3. Данные для расчета резисторов

Таблица 4. Данные для расчета конденсаторов

Расчет геометрических размеров тонкопленочных резисторов, выполненных методом свободной маски (МСМ)

1. Исходные данные:

а). конструкторские: , где

Rн - номинальное сопротивление резистора;

γR - относительная погрешность номинального сопротивления;

Pн - номинальная мощность;

T°max C - максимальная рабочая температура МС;

tэкспл - время эксплуатации МС.

б). технологические: , где

Δb(Δl) - абсолютная погрешность изготовления;

Δlустан - абсолютная погрешность совмещения трафарета;

- относительная погрешность удельного сопротивления.

2. Определяем диапазон , в котором можно вести расчет:

0,02 Rmax < < Rmin ⇒ 900 < < 500

Видим, что неравенство не выполняется, значит все эти резисторы изготовить из одного материала невозможно. Чтобы мы все же могли изготовить резисторы, надо разбить их на две группы и для каждой группы выбрать свой материал.

Таблица 5. Разбивка резисторов на группы

Расчет резисторов первой группы.

1. Определяем диапазон , в котором можно вести расчет:

0,02 Rmax < < Rmin ⇒ 85 < < 500

Видим, что неравенство выполняется, следовательно эти резисторы выполняются из одного материала. Для того чтобы резисторы были как можно меньше выберем материал с как можно большим удельным поверхностным сопротивлением (). Остановим свой выбор на материале “МЛТ-3М”. Этот материал обладает следующими характеристиками:

Таблица 6. Материал для первой группы резисторов

Как уже говорилось, лучше взять как можно больше, т.е. в данном случае это =500. Этот материал обладает неплохими характеристиками, присущими резистивным материалам, а именно: низким ТКС (αR), низким коэффициентом нестабильности (старения) (S), хорошей адгезией и технологичностью.

2. Вычислим относительную температурную погрешность:

=0,0002(150-20)=0,026

3. Вычислим относительную погрешность старения:

, где

tисп - время испытания за которое определен коэффициент старения S;

tисп = 1000 часов.

4. Вычислим относительную погрешность контактирования:

= 0,01 - 0,03 ⇒ зададимся =0,01

5. Вычислим относительную погрешность формы:

γкф = γR - - - - = 0,2 - 0,1 - 0,026 - 0,025 -0,01=0,039;

6. Определение вида резистора (подстраиваемый или неподстраиваемый):

γкф > Δb/ bmax , где bmax = 2 мм ⇒ γкф > 0,01 ⇒ резистор неподстраиваемый.

Предпочтение отдается неподстраиваемому резистору.

7. Вычислим коэффициент формы рассчитываемого резистора:

= 950/500 = 1,9;

8. Определение вида резистора (прямой или меандр):

Если коэффициент формы меньше 10, то резистор прямой, а если больше десяти, то резистор изготовляется в форме меандра. Предпочтение отдается прямому резистору. В данном случае резистор изготовляется прямым.

9. Определение ширины резистора по мощности рассеяния:

10. Определение основного размера по заданной точности:

, где Δl=Δb=0,02 при условии, что коэффициент формы больше единицы.

11. Выбор основного размера:

⇒ b = 0,78 мм

12. Определение длины резистора:

13. Проверка проведенных расчетов:

Ом ⇒ расчет выполнен правильно !

На этом этапе мы рассчитали первый резистор из первой группы (R1). Расчет остальных резисторов этой группы аналогичен и далее не приводится. Результаты расчета всех резисторов данной группы сведены в таблицу.

Таблица 7. Результаты расчета резисторов первой группы

На этом расчет резисторов первой группы завершен. Все резисторы получились прямыми и неподстраиваемыми. Благодаря этому размеры резисторов минимальны, что позволит располагать их на подложке компактно и с наибольшей степенью интеграции.

Расчет резисторов второй группы.

1. Определяем диапазон , в котором можно вести расчет:

0,02 Rmax < < Rmin ⇒ 900 < < 10000

Видим, что неравенство выполняется, следовательно эти резисторы выполняются из одного материала. Для того чтобы резисторы были как можно меньше выберем материал с как можно большим удельным поверхностным сопротивлением (). Остановим свой выбор на материале “КЕРМЕТ”. Этот материал обладает следующими характеристиками:

Таблица 8. Материал для второй группы резисторов

Этот материал обладает хорошими характеристиками, свойственными резистивным материалам, а именно: низким ТКС (αR), низким коэффициентом нестабильности (старения) (S), хорошей адгезией и технологичностью.

2. Вычислим относительную температурную погрешность:

=0,0004(150-20)=0,052

3. Вычислим относительную погрешность старения:

, где

tисп - время испытания за которое определен коэффициент старения S;

tисп = 1000 часов.

4. Вычислим относительную погрешность контактирования:

= 0,01 - 0,03 ⇒ зададимся =0,01

5. Вычислим относительную погрешность формы:

γкф = γR - - - - = 0,22 - 0,1 - 0,052 - 0,025 -0,01=0,033;

6. Определение вида резистора (подстраиваемый или неподстраиваемый):

γкф > Δb/ bmax , где bmax = 2 мм ⇒ γкф > 0,01 ⇒ резистор неподстраиваемый.

Предпочтение отдается неподстраиваемому резистору.

7. Вычислим коэффициент формы рассчитываемого резистора:

= 14000/5000 = 2,8;

8. Определение вида резистора (прямой или меандр):

Если коэффициент формы меньше 10, то резистор прямой, а если больше десяти, то резистор изготовляется в форме меандра. Предпочтение отдается прямому резистору. В данном случае резистор изготовляется прямым.

9. Определение ширины резистора по мощности рассеяния:

10. Определение основного размера по заданной точности:

, где Δl=Δb=0,02 при условии, что коэффициент формы больше единицы.

11. Выбор основного размера:

⇒ b = 0,82 мм

12. Определение длины резистора:

13. Проверка проведенных расчетов:

Ом ⇒ расчет выполнен правильно !

На этом этапе мы рассчитали первый резистор из второй группы (R2). Расчет остальных резисторов этой группы аналогичен и далее не приводится. Результаты расчета всех резисторов данной группы сведены в таблицу.

Таблица 9. Результаты расчет резисторов второй группы

На этом расчет резисторов второй группы завершен. Все резисторы получились прямыми и неподстраиваемыми. Вследствие этого размеры резисторов минимальны, что позволит располагать их на подложке компактно и с наибольшей степенью интеграции.

Расчет резисторов закончен !

Расчет контактных переходов для резисторов первой группы

1. Исходные данные для низкоомных резисторов: , где

Rн - номинальное сопротивление резистора;

- относительная погрешность контактирования;

- удельное поверхностное сопротивление;

bmin - минимальная ширина резистора;

2. Рассчитаем максимально допустимое значение сопротивления контактного перехода:

Ом;

3. Рассчитаем сопротивление контактного перехода:

Ом;

4. Проверка условия:

Rк доп должно быть больше, чем Rк п. Условие соблюдается.

5. Находим минимальную длину контактного перехода:

мм;

6. Находим реальную длину контактного перехода:

Остальные резисторы данной группы удовлетворяют этому условию.

Расчет контактных переходов для резисторов второй группы

1. Исходные данные для высокоомных резисторов: , где

Rн - номинальное сопротивление резистора;

- относительная погрешность контактирования;

- удельное поверхностное сопротивление;

bmin - минимальная ширина резистора;

2. Рассчитаем максимально допустимое значение сопротивления контактного перехода:

Ом;

3. Рассчитаем сопротивление контактного перехода:

Ом;

4. Проверка условия:

Rк доп должно быть больше, чем Rк п. Условие соблюдается.

5. Находим минимальную длину контактного перехода:

мм;

6. Находим реальную длину контактного перехода:

Остальные резисторы данной группы удовлетворяют этому условию.

Расчет геометрических размеров тонкопленочных конденсаторов, выполненных методом свободной маски (МСМ)

1. Исходные данные:

а). конструкторские: , где

Cн - номинальная емкость конденсатора;

γC - относительная погрешность номинальной емкости;

Up- рабочее напряжение на конденсаторе;

T°max C - максимальная рабочая температура МС;

tэкспл - время эксплуатации МС.

б). технологические: , где

Δb(Δl) - абсолютная погрешность изготовления;

Δlустан - абсолютная погрешность совмещения трафарета;

- относительная погрешность удельной емкости.

2. Выбор материала диэлектрика:

В качестве материала диэлектрика будем использовать “СТЕКЛО ЭЛЕКТРОВАКУУМНОЕ”. Характеристики этого материала приведены в таблице:

Таблица 10. Материал диэлектрика конденсатора

3. Определение толщины диэлектрика:

мкм, где

Кз - коэффициент запаса, необходимый для обеспечения надежностных характеристик и равный 2 - 4. Примем Кз = 2.

4. Определение удельной емкости по рабочему напряжению:

5. Определение коэффициента формы конденсатора:

Для большей компактности микросхемы выберем коэффициент формы конденсатора равным двум. Конденсатор такой формы удобнее разместить на подложке, чем квадратный.

Кф = 2;

6. Определение относительной погрешности старения:

, где

tисп - время испытания за которое определен коэффициент старения S;

tисп = 1000 часов.

7. Определение относительной температурной погрешности:

=0,0002(150-20)=0,026

8. Вычисление относительной погрешности:

= 0,23-0,115-0,026-0,075 = 0,014;

9. Определение удельной емкости по относительной погрешности:

;

10. Определение вида конденсатора:

Результаты расчета показали, что конденсатор будет изготавливаться неподстраиваемым. Это наиболее оптимальный вид конденсатора.

11. Выбор удельной емкости:

Удельная емкость выбирается из следующего соотношения:

и удовлетворять диапзону самого материала.

С0 = 300 пФ/мм2

12. Определение площади перекрытия обкладок:

S = Cн/C0 =3800/300 = 12,7 мм2;

13. Определение размеров верхней обкладки:

;

;

14. Определение размеров нижней обкладки:

;

;

15. Определение размеров диэлектрика:

;

;

16. Определение площади, занимаемой конденсатором:

мм2.

На этом расчет конденсатора закончен. Конденсатор получился неподстраиваемым. Вследствие этого его размеры минимальны, что позволит расположить его на подложке компактно и с наибольшей степенью интеграции.

Расчет конденсаторов закончен !

Выбор и обоснование топологии

1. Выбор топологии производится на основе принципиальной электрической схемы данной микросхемы;

2. Выбран вариант технологического процесса - метод свободной маски;

3. Перечень конструкторских и технологических ограничений:

Оборудование имеет шесть позиций:

- низкоомные резисторы и подслой для контактных площадок

- высокоомные резисторы

- нижняя обкладка конденсатора и соединительные проводники

- диэлектрик конденсатора

- верхняя обкладка конденсатора и контактные площадки

- защитный слой;

4. Ограничение перечня элементов в пленочном исполнении;

5. Произведен расчет геометрических размеров элементов;

6. Определение необходимой площади подложки:

, где Кзап=0,5-0,75

Из перечня стандартных размеров выбираем подходящие размеры подложки . Исходя из проведенных расчетов выберем подложку с размерами 12x20 мм.

7. При проведении граф-анализа данной схемы установлено, что все пленочные и навесные элементы расположены в плоскости, и схема их соединений удовлетворяет всем конструкторским и технологическим требованиям.

Граф - анализ электрической принципиальной схемы

Рис. 3. Граф - схема

Топология

Рис. 4. Топология

Обоснование выбора корпуса

В

ыбор типоразмера корпуса произведен согласно геометрическим размерам подложки. Выбор типоразмера корпуса произведен с таким расчетом, чтобы подложка стандартных размеров с размещенными на ней элементами помещалась в выбранный корпус. Корпус 1221.18-5 ГОСТ 17467-88. Корпус металлостеклянный пря­моугольной формы с продольным расположением выводов. Он обладает следующими достоинствами:

• хорошо экранирует плату от внешних наводок;
• изоляция коваровых выводов стеклом обеспечивает наилучшую герметизацию и устойчивость к термоциклированию;
• крепление крышки контактной сваркой обеспечивает хорошую герметизацию и прочность;
• хорошо согласовывается с координатной сеткой.

Технологическая часть

Последовательность технологического процесса

1. Изготовление масок;
2. Подготовка подложек;
3. Формирование тонкопленочной структуры;
4. Подгонка номиналов;
5. Резка пластин на кристаллы;
6. Сборка;
7. Установка навесных элементов;
8. Контроль параметров;
9. Корпусная герметизация;
10. Контроль характеристик;
11. Испытания;
12. Маркировка;
13. Упаковка.

Методы формирования тонкопленочных элементов

О

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

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

Рис. 5. Методы осаждения тонких пленок

а) - термическое испарение в вакууме; б) - катодное распыление;

в) - ионно-плазменное распыление;

1 - колпак; 2 - нагреватель подложки; 3 - подложкодержатель;

4 - подложка; 5 - заслонка; 6 - испаритель; 7 - прокладка;

8 - опорная плита; 9 - катод-мишень; 10 - анод; 11 - термокатод

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

При ионно-плазменном распылении (Рис. 5, в) в систему анод 10 - катод-мишень 9 вводят вспомогательный источник электронов (термокатод 11). Перед началом работы рабочая камера 1 откачивается до вакуума 10-4 Па и на термокатод 11 подается ток, достаточный для разогрева его и создания термоэлектронного тока (термоэлектронная эмиссия). После разогрева термокатода 11 между ним и анодом 10 прикладывается U=200 В, а рабочая камера наполняется инертным газом (Ar) до давления 10-1 - 10-2 Па - возникает газовый плазменный разряд. Если подать отрицательный потенциал на катод-мишень 9 (3-5 кВ), то положительные ионы, возникающие вследствие ионизации инертного газа электронами, будут бомбардировать поверхность катода-мишени 9, распылять его, а частицы материала оседать на подложке 4, формируя тонкую пленку.

Определенная конфигурация элементов ИМС получается при использовании специальных масок, представляющих собой моно- или биметаллические пластины с прорезями, соответствующими топологии (форме и расположению) пленочных элементов.

Для формирования сложных ТПЭ большой точности применяют фотолитографию, при которой сплошные пленки материалов ТПЭ наносят на подложку, создают на ее поверхности защитную фоторезистивную маску и вытравливают незащищенные участки пленки. Существует несколько разновидностей этого метода. Например, рпи прямой фотолитографии вначале на диэлектрическую подложку наносят сплошную пленку резистивного материала и создают защитную фоторезистивную маску, черз которую травят резистивный слой. Затем эту маску удаляют и сверху наносят сплошную пленку металла (например, алюминия). После создания второй фоторезистивной маски и травления незащищенного алюминия на поверхности подложки остаются полученные ранее резисторы, а также сформированные проводники и контактные площадки, закрытые фоторезистивной маской.

Удалив ненужную более маску, на поверхность наносят сплошную защитную пленку (например, SiO2) и в третий раз создают фоторезистивную маску, открывая участки защитного покрытия над контактными площадками. Протравив защитное покрытие в этих местах и удалив фоторезистивную маску, получают плату ГИМС с пленочными элементами и открытыми контактными площадками.

Использованная литература

1. Методические указания к выполнению курсового проекта по курсу “Конструирование микросхем и микропроцессоров”, МИЭМ, 1988

2. Романычева Э.Т., Справочник: ”Разработка и оформление конструкторской документации РЭА”, Радио и связь, 1989

Оглавление

Задание на курсовое проектирование ............................................................ 2

Аннотация ........................................................................................................ 4

Введение ........................................................................................................... 5

Электрический расчет принципиальной схемы ............................................. 6

Данные для расчета размеров тонкопленочных элементов .......................... 7

Расчет геометрических размеров резисторов ................................................ 8

Расчет контактных переходов ....................................................................... 13

Расчет геометрических размеров конденсаторов ........................................ 15

Выбор и обоснование топологии ................................................................. 17

Граф - анализ схемы ...................................................................................... 18

Топология ....................................................................................................... 19

Обоснование выбора корпуса ....................................................................... 20

Последовательность технологического процесса ....................................... 20

Методы формирования тонкопленочных элементов .................................. 21

Использованная литература ......................................................................... 23

Оглавление ..................................................................................................... 24