Разработка конструкции и технологии изготовления логического элемента в интегральном исполнении

Гарантийный срок хранения 5 лет.

1.1.5 Дополнительные требования

Обеспечить  минимальную стоимость изготовления микросхемы.

 

 

2. Обеспечение технических требований

 

Исходные  данные определяют обеспечиваемые при  разработке и расчетах технические  требования.

Минимальные длина и ширина пленочных резисторов определяются возможностями технологического процесса изготовления – фотолитографией  и заданными в перечне элементов  мощностями рассеяния.

Заданный  интервал температур определяет тепловой режим микросхемы, который обеспечивается требованиями к топологии платы, и материалам конструкций. Обеспечение требований минимальных габаритов выполняется с помощью большей интеграции. Требования максимальной стандартизации и унификации обеспечивается применение типовых техпроцессов при изготовлении рисунка, а также использованием стандартных навесных элементов и корпуса.

Обеспечение требования минимальной стоимости  осуществляется за счет использования  недорогих конструктивных материалов и отработанных типовых процессов  изготовления микросхем.

Требования  и размеры ограничения к топологии  также определяются методом формирования рисунка – фотолитографией. Требования к конструкции и технологии ГИС  определяются также элементной базой.

При конструировании и производстве должны соблюдаться требования стандартов: ОСТ4 ГО.054.028, ОСТ4 ГО.010.043, ОСТ 107.750878.001-87,

ОСТ 107.460091.004-88.

 

 

3. Анализ элементной базы

 

Согласно  перечню (ГКИЮ 431279.007 ПЭ3) элементов заданный логический элемент содержит резисторы R1…R18 и транзисторы VT1…VT12.

Проанализировав разброс номиналов и мощностей  у резисторов, и вследствие того, что он невелик, допустимые отклонения одинаковые, можно сделать вывод, что все резисторы целесообразно  изготовлять  пленочным напылением.

Транзисторы 2Т317Б СБ0.336.016 ТУ – кремниевые, бескорпусные, n-p-n-типа.

Установка транзисторов производится в виде навесных компонентов для снижения трудоёмкости, стоимости и увеличения надёжности, что обеспечивает высокую технологичность  при крупносерийном типе производства.

 

2  ВЫБОР И  ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ

 

2.1  Резистивные материалы

 

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

- хорошей  адгезионной способностью, чтобы  все наносимые материалы напылялись  за один вакуумный цикл  и  затем все элементы формировались  методами фотолитографии;

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

- иметь наибольшее  значение  удельной мощности рассеивания  резистивного материала (Р_о);

- температурный  коэффициент сопротивления (ТКС)  должен обеспечивать заданные  допустимые отклонения резисторов  от номинального значения в  процессе эксплуатации;

- иметь минимальный  коэффициент старения;

- обеспечивать  максимальную технологичность.

Выбор материала  резисторов начинается с определения  количества резистивных слоев по соотношению:

,

где R_max – максимальное номинальное значение сопротивления,

       R_min – минимальное номинальное значение сопротивления.

Т.к. не намного больше 10, то можно изготавливать все резисторы из одного материала в одном резистивном слое.

Для резистивного слоя выбран резистивный материал –  сплав РС3710 ГОСТ 22033-76.

Электрофизические характеристики выбранного материала резисторов приведены  в табл. 2.1.

Таблица 2.1 – Электрофизические  характеристики материала для пленочных  резисторов.

Материал	Сопротивле-ние квадрата резистивной пленки, Ом/□	Допустимая удельная мощность рассеяния Р , Вт/мм2	ТКС*10-4 1/град (в интервале Т0 –600С…+1250С)
РС3710 ГОСТ. 22033-76	50-3000	5	-1…+1

 

2.2  Проводниковые материалы.

 

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

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

- низкое  удельное сопротивление (ρ_s < 0.1 Ом/□ );

- хорошая  адгезия к диэлектрической подложке, к резистивным материалам;

- высокая  антикоррозионная стойкость; 

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

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

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

 

Выбор проводниковых материалов, которые  представляют собой многослойные структуры (в  данном случае 3 слоя) обусловлен уже выбранным материалом резистивного слоя.

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

- нижний подслой хрома Хром ЭРХ ЧСТУ 5-30-76 с ρ_S = 30Ом/□ для адгезии между резистивным слоем РС и проводниковым слоем;

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

- верхний защитный слой никеля НП2 ГОСТ 2170-73.

 

2.3  Материал подложки

 

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

- атомарно-гладкая поверхность,  минимальная шероховатость и  микронеровности;

- минимальная пористость;

- высокие изоляционные свойства;

- высокие диэлектрические свойства  и малые потери (ε → мах,  tgδ → min);

- высокая теплопроводность;

- температурный коэффициент расширения  согласованный с наносимыми пленками;

- высокая стойкость к термоударам;

- высокая адгезия к наносимым  пленкам;

- минимальное давление насыщенных  паров в вакууме;

- химическая инертность к напыляемому  материалу;

- химическая инертность к реактивам,  растворам в процессе обработки;

- механическая прочность;

- малые коробления и неплоскостность, отсутствие волнистости поверхности;

- высокая технологичность при  обработке;

- уменьшение стоимости и дефицитности  материалов подложки.

 

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

Из числа  материалов, максимально удовлетворяющих  этим требованиям, выбираем Ситалл Ст38-1 ТХО.735.062 ТУ, его характеристики сведены в таблицу 2.2.

Ситалл достаточно легко поддается обработке: его можно прессовать, вытягивать, прокатывать и отливать центробежным способом. Кроме того, выбор обусловлен работой схемы на ВЧ (исключается ситалл Ст50-1 ТХО.735.062 ТУ, используемый для НЧ), тонкопленочной технологией (исключает керамику ВК94-1, ВК96-1 и ВБ-100), маломощностью схемы, высокой теплопроводностью среди ситаллов, а также более низкой  относительной стоимостью. Ситаллы также имеют преимущества перед стеклами: они хорошо обрабатываются, выдерживают резкие перепады температуры, обладают высоким электрическим сопротивлением, а по механической прочности в 2-3 раза прочнее стекла, имеют более низкие диэлектрические потери.

 

Таблица 2.2 – Характеристика выбранного материала Ситалл Ст38-1

Параметр	Значение
Диэлектрическая проницаемость при Т=20°С и f=1МГц	7.2 – 7,5
Тангенс угла диэлектрических потерь при Т=20°С и f=1МГц	(12-20)*10-4
Теплопроводность, Вт/(м* °С)	1,31
Удельное объемное сопротивление, Ом*см3	10-12
Электрическая прочность, кВ/мм	более 40
Класс шероховатости	12 – 13
Температура размягчения, °С	-
Пористость, %	0

 

 

 

 

 

 

 

 

3  РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИИ  ПЛАТЫ

 

 

3.1  Расчет геометрических  размеров плёночных резисторов

 

Расчет резисторов начинаем с выбора материала резистивной  пленки и значения ее удельного сопротивления, проведенного в п. 2.1 данной ПЗ. При этом необходимо стремиться, чтобы коэффициент формы напыляемых резисторов К_ф был максимально приближен к 1. Данные для всех резисторов приведены в табл. 3.1.

 

Таблица 3.1 – Исходные данные для расчета геометрических размеров для всех резисторов.

Позиционное обозначение	Rном, Ом	gR, %	Рзад, Вт	Tmax-Tmin	Db	Dl
R1 = R2 = R3 = R7 = R8 = R9 =     = R12 = R13 = R17 = R18	2000	20	0,0015	100	0,01	0,01
R4 = R5 = R6 = R10 = R11 = R14 = = R15 = R16	2000	20	0,005	100	0,01	0,01

 

Был выбран материал резистивной  пленки – сплав РС3710 ГОСТ22033-76 с  ρ = 2000 Ом/□.

 

Определим погрешность  коэффициента формы резисторов [7]:

                                                                     (3.1)

где   - предельное отклонение от номинального значения резистора;

- погрешность воспроизведения  удельного поверхностного сопротивления  резистивной пленки;

- температурная погрешность;

- погрешность, обусловленная  старением пленки;

- погрешность переходных сопротивлений  контактов.

 

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

Температурная погрешность  зависит от ТКС материала пленки:

                                                                                                   (3.2)

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

- рабочий диапазон температур, С⁰.

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

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

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

Основным параметром пленочных  резисторов является коэффициент формы:

                                                                                                 (3.3)

где   l – длина  резистора, мм;

b – ширина резистора,  мм.

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

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

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