Разработка топологии и технологии изготовления бескорпусной тонкопленочной микросборки

Уточненное значение размера В0 определяется по следующей формуле:

B0 = B – bрасч.[(mи Rи /ρsnопт.) - 2],

где  mи = 2nопт.- 1 – число прямоугольных изгибов; Rи= 2,55ρs – сопротивление одного прямоугольного изгиба.

для R1:  mи = 2nопт.- 1=2·6-1=11

Во = 2100-175· [(11·2,55/6)-2] =1632 мкм

для R2:  mи = 2nопт.- 1=2·4-1=7

Во = 1416-177· [(7-2,55/4)-2] =980 мкм

Рассчитаем длину резистивной пленки меандра:

ℓм = nопт.(B0 + bрасч.),

для R1: ℓм = 6· (1632 +175)=10842 мкм,

для R2: ℓм = 4· (980 +177)=4628 мкм.

Определим полную длину резистивной пленки:

ℓполн. = ℓм + 2e,

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

для R1: ℓполн. = 10842 + 2-200= 11242 мкм,

для R2: ℓполн. = 4628 + 2-200= 5028 мкм.

Рассчитаем габаритную площадь Sr, занимаемую меандром.

Sr=AB0.

для Rl: Sr = 2100·1632=3427200 мкм2 ≈ 0,034 см2

для R2: Sr = 1416·980=1387680 мкм2 ≈ 0,014 см2

Определим площадь SRi резистивной пленки:

SRi = ℓполн. bрасч.

для Rl: SR1 = 11242·175=1967350 мкм2 ≈ 0,02 см2

для R2: SR2 = 5028·177=889956 мкм2 ≈ 0,009 см2

Определим мощность рассеяния PRi резистором:

PRi=SRiP0,

где Р0 - удельная мощность рассеяния резистивной пленки (Р0 = 3 Вт/см2).

для Rl: PR1 = 0,02·3 = 0,06 Вт =60 мВт,

для R2: PR2 = 0,009·3 = 0,027 Вт =27 мВт. 

Определим коэффициент Кз запаса по мощности:

Kз = PRi/Pi

для Rl: К3= 60/12=5

для R2: К3= 27/12=2,25

Для обоих резисторов величина Кз > 1, следовательно, оба резистора удовлетво­ряют исходным требованиям минимально допустимой мощности рассеяния.

Определяем общую площадь  резисторов ИМС:

Общая площадь Sri резисторов, расположенных на подложке ИМС, рассчитыва­ется по формуле:

где I - количество резисторов на подложке.

На подложке расположены два резистора R1 и один R2

SRI= 2·SRI+ SR2 = 2·0,034+0,014 = 0,082 см2

После произведенных расчетов резисторы, расположенные на подложке ИМС, изображены на рис. 4.2 (масштаб 20:1).

рис. 4.2

4.3 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.

Для микросборки использованы конденсаторы квадратной формы. Их конфигу­рация представлена на рис. 4.2.

Рис. 4.2

Расчет тонкопленочных конденсаторов осуществляется на основе исходных данных (см. табл. 1.1…1.2).

Расчет толщины d диэлектрика конденсатора производится из условия обеспечения электрической прочности Епр.

Значение d определяется по формуле:

d = k3Up/Enp., [см],

где k3 = 3 - коэффициент запаса,

Up= 18 В - рабочее напряжение (см. табл.1.1),

Епр= 5·106 В/см - электрическая прочность для окиси алюминия (Al2O3), (см. табл.1.3)

Для обоих конденсаторов: d = 3 · 18/5 · 106=12· 10"6 см = 1,08· 10-5 см

Определяем удельную емкость C0d конденсатора, соответствующую требуемой электрической прочности, осуществляется по формуле:

C0d= 0,0885ε/d, [пФ/см2],

где d - толщина, см, ε - диэлектрическая проницаемость на частоте 1кГц (см. табл.1.3).

Для обоих конденсаторов:  Cod= 0,0885·8/1,08·10-5 =65,556 пФ/см2

Расчет допустимой погрешности Sдоп площади производится по формуле:

Sдоп =  Ci - Co - Cт -  стC. ,

где: Ci = │δ Ci │ и уСо- допуск на номинал и погрешность воспроизведения удельной емкости, значения которых приведены в табл. 1.1 и равны соответственно 0,1 (10%) и 0,02 (2%); Cт  - температурная погрешность, которая рассчитывается по формуле:

Cт  = αCi ΔΤ

где: αCi - температурный коэффициент емкости ТКС, характеризует отклонение ΔCi (Τ) емкости от номинального значения Ci в зависимости от изменения температуры ΔΤ. Значение αCi является справочной величиной, αC1 = αC2= 4· 10-4 1/°С,

где: ΔΤ - интервал рабочих температур. ΔТ=60°С

стC - погрешность обусловленная старением материалов, рассчитывается по формуле:

устС = КстС·Δt.

где: КстС - коэффициент старения емкости, характеризует изменение ΔCi (t) емкости Ci в зависимости от времени t, Кстс =10-5 1/час, Δt - время эксплуатации конденсатора. Δt = 1000 часов.

Для обоих конденсаторов:

уСт = 4·10-4·60=0,024

устС = 10-5·1000 = 0,01

Sдоп =  Ci - Co - Cт -  стC = 0,1-0,02-0,024-0,01= 0,046

Рассчитаем удельную емкость C0S конденсатора, соответствующую допустимой погрешности площади Sдоп конденсатора.

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

C0S = Сi(Sдоп /A)2 Kф/ (1+Kф)2 , [пФ/см2],

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

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

C0S =  Сi(Sдоп /A)2 / 4 , [пФ/см2].

Для конденсатора Cl: Cos = 2400·(0,046/0,001)2 /4= 1269600 пФ/см2

Для конденсатора С2: Cos = 4800·(0,046/0,001)2/4 = 2539200 пФ/см2

Определяем минимальную удельную емкость С0m конденсатора, обеспечивающую заданное значение Up, а также отвечающую требуемой величине Ci =Ci, по условию:

C0m = min{C0d , C0S}, [пФ/см2].

Для конденсатора Cl: C0m = min{65556, 1269600} = 65556 пФ/см2

Для конденсатора С2: С0m = min{65556, 2539200} = 65556 пФ/см2

Рассчитаем площадь SВ верхней обкладки конденсатора:

Sв =  Ci / С0m , [см2]

Для конденсатора Cl: SB=2400/65556 = 0,03661 см2

Для конденсатора С2: SB=4800/65556 = 0,07322 см2

Определяем габаритные размеры АВ и ВВ верхней обкладки конденсатора.

Для конденсатора прямоугольной формы размеры обкладки определяются выбранным коэффициентом формы Кф= Ав/Вв, задаваясь, с учетом технологических требований и ограничений, размером Вв. Тогда:

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

Для конденсатора С1: ;

Для конденсатора С2:

Рассчитываем габаритные размеры АН и ВН нижней обкладки конденсатора.

Для конденсатора квадратной формы:

ΑΗ = ΒΗ = ΑΒ+2σ,

где: σ ≥ 200 мкм - технологическое ограничение  на перекрытие обкладок конденсатора.

Для конденсатора С1: Ан = Вн = 0,1913+2·0,02= 0,2313 см;

Для конденсатора С2: Ан = Вн = 0,2708+2·0,02= 0,3108 см;

Определяем габаритные размеры АД и ВД диэлектрика.

Для конденсатора квадратной формы

Ад = Вд = Ан+2g

где: g ≥ 100 мкм - технологическое ограничение на перекрытие нижней обкладки конденсатора диэлектриком.

Для конденсатора С1: Ад = Вд = 0,2313+ 2·0,02= 0,2713 см;

Для конденсатора С2: Ад = Вд = 0,3108+2·0,02= 0,3508 см;

Определяем площадь SCi, занимаемую  конденсатором.

Площадь конденсатора определяется площадью диэлектрика:

SCi = Sд = АдВд

Для конденсатора Cl: SС1 = SД= 0,27132 = 0,0736 см2

Для конденсатора С2: SС2 = SД= 0,35082 = 0,12306 см2

Расcчитаем добротность Qi конденсатора по формуле:

Qi = 1/tgi,

где  tgi = tgД + tgоб;

tgД = 0,3 - тангенс угла диэлектрических потерь в диэлектрике, который является постоянной справочной величиной, его значение берется из табл.1.3; tgоб - тангенс угла потерь в обкладках конденсатора, который определяется по формуле:

tgоб = 4 Ci(rв + rн)/1012,

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

rв и rн - сопротивления соответственно верхней и нижней обкладок конден­сатора, [Ом], для конденсатора квадратной формы гв= гв = рsoбкл = 0,2 Ом, значе­ние берется из табл. 1.5. Для алюминиевых обкладок:

Для конденсатора Cl: tgδo6 = 4π·103·2400(0,2+0,2)/1012 = 0,000012063,

tgδ1 = 0,3+0,000012063 = 0,300012063,

Qi= l/tgδ1 = 1/0,300012063 ≈ 3,332

Для конденсатора C2: tgδo6 = 4π·103·4800(0,2+0,2)/1012 = 0,000024127, 

tgδ2 = 0,3+0,000024127 = 0,300024127,

Qi = l/tgδ2 = 1/0,300024127 ≈ 3,333

Определим общую площадь конденсаторов на подложке ИМС.

Общая площадь SCG пленочных конденсаторов на подложке рассчитывается по формуле: 

где G - количество конденсаторов на подложке ИМС.

Scg = SСl+SС1+SC2 = 0,0736 + 0,0736+ 0,12306 = 0,27026 см2.

После произведенных расчетов конденсаторы, расположенные на подложке ИМС, изображены на рис. 4.3 (масштаб 20:1).

рис. 4.3

4.4  Расчет пленочных проводников и контактных площадок ИМС

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

Определение геометрических параметров соединительных проводников.

Длина linp i-гo проводника, соединенного с резистором номиналом Ri, определя­ется, исходя из условия:

Riпр  = sпрℓiпр / biпр   Rпр.доп = (0,1…0,2)RiRi,

где sпр - удельное поверхностное сопротивление материала проводника sпр = 0,1 Ом/□; biпр – ширина проводника; Ri  - отклонение от номинала Ri, заданное в исходных данных (см. табл. 1.1).

Тогда:

ℓiпр (0,1…0,2)biпрRi Ri /sпр.

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.},

bnp = max{177, 100}.

Ширина проводника выбирается равной 177 мкм.

Подставляя значения bпр, | δRi | и sпр, получаем:

ℓiпр 17,7 · Ri

Для проводников R1: ℓпр1  17,7 ·13800 = 244260 мкм.

Для проводников R1: ℓпр2  70,4 ·6900 = 122130 мкм.

Для всех проводников, достаточно принять длину, равную ℓпр = 8000 мкм

Расчет ориентировочной габаритной площади Siпр проводников производится по следующей формуле:

Sпр = q·ℓiпрbiпр

где: q - количество проводников.

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

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

SJnp = 12· (8000×177) = 16992000 мкм2 = 0,1699 см2

Расчет геометрических размеров контактных площадок.

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

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

-   "резистивная пленка - низкоомная проводящая пленка".

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

Для первого типа контактов выбор длины ℓпл и ширины bпл контактных площадок осуществляется, исходя из технологических ограничений и требований и выбираются равными 500×500 мкм.

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

biпл. = bRi.+2·200

Для контактных площадок R1: b = bR + 2·200=175+2·200=575 мкм.

Для контактных площадок R2: b = bR + 2·200=177+2·200=577 мкм.

Для всех контактных площадок b выбирается равным 580 мкм.

ℓiпл рассчитывается, исходя из условия

Riпл  Rк Ri/2,

где  Ri и Riпл – номиналы сопротивления i-го резистора и сопротивление i-й контактной площадки соответственно; Rк - погрешность переходного сопротивления области контакта “резистор - контактная площадка”, которая  составляет  Rк  2 %  (см. исходные данные в табл. 1.1).

Используя формулу

Riпл = sпл ℓiпл / biпл ,

где  sпл = sпр., получим соотношение для определения ℓiпл.:

ℓiпл.   biпл. Rк Ri/sпр2.

Для контактных площадок R1: ℓпл.  580·0,02·13800/0,1·2 = 3201600 мкм.

Для контактных площадок R2: ℓпл.  580·0,02·6900/0,1·2 = 1600800 мкм.

С учетом технологических ограничений ℓiпл выбирается из условия

ℓтехн.   ℓiпл.    biпл. Rк Ri/sпр2

200.   ℓiпл.    1600800

Для всех контактных площадок ℓпл выбираем равной 300 мкм.

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

где Q - количество контактных площадок.

SQпл = 6 [контактные площадки: резистор - проводник]

+ 8 [контактные площадки: проводник - проводник]

+ 2 [контактные площадки: для припайки выводов]

SQпл = 6·(580 × 300)+8·(500 × 500)+2·(500 × 500) = 3544000 мкм2 = 0,03544 см2.

После произведенных расчетов контактные площадки, расположенные на подложке ИМС, изображены на рис. 4.4 (масштаб 20:1).

рис. 4.3

Выбор типоразмера подложки ИМС.

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

S = SRI + SCG + Sпр + SQпл ,

где SRI, SCG, Sпр и SQпл – общие площади резисторов, конденсаторов, проводников и контактных площадок.

Sz = 0,082 + 0,27026 + 0,1699 + 0,03544 = 0,5576 см2

Определяем необходимую площадь Sп подложки:

Sп = S / ks,

где ks = (0,4.. .0,6) - выбираемый коэффициент использования подложки.