Розрахунок інтегральної мікросхеми

Курсова робота

Розрахунок інтегральної мікросхеми

Зміст

Введення

1. Аналіз вихідних даних і вибір конструкції

2. Розробка комутаційної схеми

3. Розрахунок параметрів елементів

4. Тепловий розрахунок мікросхеми в корпусі

5. Розрахунок паразитних ємностей

6. Розрахунок параметрів надійності ІМС

7. Розробка технології виготовлення мікросхем

Висновок

Література

Додаток

Введення

Створення мікроелектронної апаратури стало результатом процесу комплексної мікромініатюризації електронно-обчислювальних засобів, апаратури зв'язку, пристроїв автоматики. Цей процес виник у зв'язку з потребами розвитку промислового випуску виробів електронної техніки на основі необхідності різкого збільшення масштабів їх виробництва, зменшення їх маси, займаних ними обсягів, підвищення їх експлуатаційної надійності.

Інтегральна мікросхема (ІМС) - це конструктивно завершений вирiб електронної техніки, яка виконує певну функцію перетворення інформації та містить сукупність електрично пов'язаних між собою електрорадіоелементів (ЕРЕ), виготовлених в єдиному технологічному циклі.

За способом виготовлення розрізняють напівпровідникові і плівкові ІМС. У напівпровідникових ІМС всі ЕРЕ і частина межз'єднань сформовані в приповерхневому шарі напівпровідникової (зазвичай кремнієвої) підкладки. У плівкових ІМС пасивні ЕРЕ виготовлені у вигляді сукупності тонких (менше 1 мкм) або товстих (10-50мкм) плівок, нанесених на діелектричну підкладку. Гібридні ІМС (ГІС) являють собою комбінацію плівкових пасивних ЕРЕ з мініатюрними безкорпусним дискретними активними приладами (напівпровідниковими ІМС, транзисторами, діодами), розташованих на загальній діелектричної підкладці.

Актуальність виробництва і проектування інтегральних схем обумовлена ​​наступними перевагами:

• високою надійністю внаслідок зменшення кількості паяних та інших сполук, які мають високу інтенсивність відмов, в порівнянні з РЕЗ на дискретних елементах;

• малими габаритами і вагою, що підвищує надійність РЕЗ, тому що при малих габаритах і вазі більше резонансні частоти та апаратура ставати більш стійкою до механічних впливів;

• низьким енергоспоживанням, що пояснюється малою відстанню між елементами в мікросхемі (велика щільність упаковки), що призводить до менших загасання і спотворень корисного сигналу, внаслідок чого можливе зниження живлячої напруги в інтегральній схемі в порівнянні зі схемами на дискретних елементах;

• скороченням тривалості процесів проектування та виробництва РЕЗ на основі інтегральних схем;

• підвищенням ремонтопридатності, оскільки стає простіше відшукати і усунути несправність.

Завданнями даного курсового проекту є: вибір конструкції ІМС (напівпровідникова або гібридна), розрахунок елементів (резисторів, конденсаторів, транзисторів і т.д) і розробка топології, а також тепловий розрахунок, розрахунок надійності і паразитних зв'язків та розробка технології виготовлення ІМС.

1. Аналіз вихідних даних та обгрунтування вибору конструкції

Спочатку аналізуємо електричну принципову схему. Схема є аналоговою.

Виходячи з цього її можна виконувати як у вигляді напівпровідникової ІМС, так і у вигляді гібридної ІМС.

Далі аналізуємо перелік елементів. Резистори мають номінальні опору в межах від 1,2 кОм до 9 кОм і номінальні потужності розсіювання нижче 5 мВт, а конденсатор має номінальну місткість 20-30 пФ, що дозволяє їх виконати як у вигляді ГІС, так і у вигляді напівпровідникової ІМС. Похибки електричних параметрів резисторів і конденсатора вище 15%, що також не накладає обмеження у виборі конструктивно-технологічного варіанту мікросхеми. З огляду на те, що схема містить велику кількість транзисторів, слід схилятися до вибору біполярної напівпровідникової ІМС.

З метою зниження собівартості ІМС необхідно їх випускати великими партіями, що обумовлено меншими витратами на амортизацію з основних засобів на одиницю конструкції. У зв'язку з вищевикладеним напівпровідникові ІМС економічно доцільні тільки при масовому великосерійному або характері виробництва.

2. Розробка комутаційної схеми

Розробка комутаційної схеми - це перший етап розробки топології. На цьому етапі шляхом аналізу електричної принципової схеми оцінюється можливість реалізації вироби у вигляді напівпровідникової інтегральної схеми. При складанні комутаційної схеми, представленої на рисунку 2.1, за основу була прийнята схема електрична принципова підсилювача. Далі перетворимо її з урахуванням конструктивних особливостей елементів схеми в напівпровідниковому виконанні. Зокрема сформуємо схему так, щоб у ній були відсутні перетину провідників. У процесі виконання розробки комутаційної схеми було прийнято рішення розмістити зовнішні контактні площадки на протилежних сторонах плати, що полегшить здійснення операції з'єднання зовнішніх контактних майданчиків з висновками корпусу.

3. Розрахунки елементів ІМС

Розрахунок біполярного транзистора із застосуванням ЕОМ

За літературного джерела [1] визначаємо основні електричні параметри та експлуатаційні дані на заданий транзистор (КТ319В).

Таблиця 2.1

Основні електричні параметри та експлуатаційні дані на заданий транзистор

Використовуючи ЕОМ і дані, отримані з довідкової літератури, визначаємо потрібні нам характеристики інтегрального біполярного транзистора.

Вихідні і коректовувані дані:

1.Значення струму колектора = 15 мА.

2.Напряженіе колектор-емітер = 5В.

3.Дліна емітера = 0,005 см.

4.Шіріна емітера = 0,005 см.

5.Глубіна області (емітер) = 0,85 * 10 ^-4 см.

6. Глибина області (активна база) = 3 * 10 ^-4 см.

7.Толщіна епітаксіальних плівках = 10 * 10 ^-4 см.

8.Концентрація донорної домішки на поверхні емітера = 3 * 10 ²¹ .

9. Концентрація акцепторної домішки на поверхні бази = 5 * ^жовтня 1917 .

10. = 5 * ^{15 жовтня} .

11.Температура навколишнього середовища 300 К.

Результати розрахунку на ЕОМ:

1.Статіческій коефіцієнт передачі струму = 46,7 .

2.Гранічная частота посилення = 107МГц.

3.Поверхностное опір емітера = 0,573 .

4.Поверхностное опір колектора = 569 .

5.Поверхностное опір пасивної бази = 284 .

6.Поверхностное опір активної бази = 480 .

7.Сопротівленіе бази = 28,5 Ом.

8.Сопротівленіе колектора = 60 Ом.

9.Пробівное напруга переходу емітер-база = 6,78 В.

10.Пробівное напруга переходу колектор-база = 116 В.

11. = 32 В.

12.Емкость переходу база-емітер = 15 пФ.

13.Емкость переходу база-колектор = 0,26 пФ.

14.Время заряду ємності емітерного p - n переходу = с.

15.Время перенесення носіїв через активну базу транзистора = с.

16.Время прольоту носіїв заряду через ОПЗ колекторного переходу = с.

17.Время заряду ємності колекторного p - n переходу = с.

18.Удельная ємність = .

19. Питома ємність = .

Інші елементи (резистори, конденсатори) виконуються на основі областей біполярного транзистора. Виконаємо відповідні розрахунки.

Розрахунок резисторів

Вихідними даними для розрахунку геометричних розмірів інтегральних напівпровідникових резисторів є: заданий у принциповій електричній схемі номінальне значення опору R і допуск на нього , Поверхневий опір легованого шару , На основі якого формується резистор, середнє значення потужності

P і максимально допустима питома потужність розсіювання ( = 8 для дифузійних і імплантованих резисторів [2]), основні технологічні і конструктивні обмеження.

R 1 = 3 кОм 15%

Оскільки даний резистор має опір не більше 10 кОм і не менше 1 кОм, то в якості конструкції використовуємо дифузійні резистори на основі базової області ( = 480 ). Конфігурація даного резистора зображена на малюнку 3.1.

Рис.3.1. Конфігурація дифузійних резисторів R 1

Мінімальну ширину резистора, при якій забезпечується задана похибка, визначають з виразу:

0,331, (2.1)

де D b і D l - похибки ширини і довжини, обумовлені технологічними процесами. Для типових процесів (D l = D b = 0.1 мкм).

0,35, (2.2)

де - Похибка відтворення питомого поверхневого опору, для типових процесів його вибирають в межах 0,05 ¸ 0,1.

Тепер знайдемо мінімальну ширину резистора , Яка визначається з максимально допустимої потужності розсіювання

. (2.3)

= 7,3 мкм.

Для складання креслення топології необхідно вибрати крок координатної сітки. Вибираємо 1:500. Потім визначають проміжне значення ширини резистора:

, (2.4)

де - Похибка растравліванія вікон ( = 0,2 ¸ 0,5 мкм);

- Похибка догляду дифузійного шару під маскує оксид ( »60% базового і 80% емітерного шарів).

_пром = 7,3-2 × (0,5 +1,8) = 2,7 мкм

Реальна ширина резистора на кристалі:

(2.5)

де _топ - топологічна ширина резистора.

Звідси = 9,6.

Розрахункову довжину резистора визначають за формулою:

(2.6)

де n ₁ - число контактних майданчиків резистора (n = 2);

k ₁ - поправочний коефіцієнт, що визначається за номограмме (k ₁ = 0,5).

Тоді маємо

= 50,4 мкм.

Потім розраховують проміжне значення довжини:

(2.7)

Реальна довжина резистора на кристалі:

(2.8)

Аналогічно розраховуємо резистори R 2, R 3, R 4, R 6. Отримані дані заносимо в таблицю 3.1.

Таблиця 3 .1

Розрахунок конденсатора

Вибір конструкції конденсатора визначається значеннями допустимої робочої напруги і номінальною ємності . Напруга обмежена величиною напруги пробою p - n-переходу. Напруги пробою p - n-переходу колектор - база і емітер - база розраховувалися раніше при проектуванні біполярного транзистора і мають такі значення: = 116 В, = 6,78 В. І те й інше пробивну напругу забезпечує заданий . Питому ємність p - n-переходу колектор - база та емітер - база при нульовому зсуві на ньому ( = 0В, = 0В) також розраховувалися при проектуванні біполярного транзистора і мають такі значення: = 9,69 * 10 ^-9 Ф / см ^2, = 1.06 * 10 ^-7 Ф / см ^2. Таким чином доцільно вибрати питому ємність, яка в найкращій мірі забезпечує площа конденсатора, порівнянну з площею, займаної транзистором, тобто вибираємо конденсатори на основі p - n-переходу емітер - база.

Розрахунок питомої ємності бічній частині p - n-переходу емітер - база утруднений, тому її величина може бути прийнята рівною . Питома ємність бічній частині p - n-переходу колектор - база практично дорівнює її донної частини . З метою мінімізації розмірів кристала напівпровідникової ІМС приймаємо топологію конденсатора квадратної форми зі стороною А. Величина А для конденсатора на основі p - n-переходу емітер - база визначається з рівняння:

,

де = - Питома ємність донної частини p - n переходу емітер-база;

= 1000 - Питома ємність бічній частині p - n переходу емітер-база;

- Глибина емітера;

- Номінальна ємність заданого i-го конденсатора.

Таким чином, вирішуючи дане рівняння відносно А, отримаємо розміри конденсаторів:

А = 135 мкм - для конденсаторів С1 і С3.

А = 158 мкм - для конденсатора С2. з метою зменшення топологічних розмірів конденсатора використовуємо паралельне включення двох p - n-переходів, здійснюване за допомогою металевих провідників. Таким чином маємо:

А = 111мкм.

Вибір структури діодів ІМС

Дані діоди (КД901А) мають такі вихідні дані:

Діоди, сформовані на основі переходу емітер - база, характеризуються наімеьшімі значеннями зворотного струму за рахунок самої малої площі і самій вузькій області обсяг заряду ( ). Найменшою паразитної ємністю ( ) Також мають діодні структури на основі переходу емітер - база. Для інших структур значення паразитної ємності порядку 3пФ. Швидкодія характеризується також часом відновлення зворотного опору. Воно мінімально (близько 10нс) для переходу емітер - база за умови, що перехід колектор - база закорочений. В інших структурах час відновлення зворотного опору складає 50-100нс. З аналізу вихідних даних і способу застосування діодів в цифрових схемах як накопичувальних, можна зробити висновок, що доцільніше вибрати діоди на основі переходу емітер - база.

3. Тепловий розрахунок мікросхеми в корпусі

Так як ІС герметизується шляхом запресовування в пластмасовий корпус типу 2, то тепловий опір конструкції визначається

, (4.1)

де , - Товщина шару пластмаси (компаунда, = 1,7 мм) і її теплопровідність

( );

- Внутрішнє тепловий опір кристала, яке визначається за формулою

, (4.2)

де , - Товщина підкладки pSi ( = 200мкм) і її теплопровідність

( );

Температура кристала розраховується за формулою

, (4.3)

де - Температура навколишнього середовища ( = 40 );

- Площа кристала;

- Сумарна потужність елементів.

Тоді

.

.

Так як робоча температура не перевищує допустиму 85 , То ніяких конструктивних заходів вживати не слід.

5. Розрахунок паразитних зв'язків

Визначимо паразитне ємність у ділянці, де вона найбільша. Для трьох провідників їх буде дві. Позначимо їх як С12 і С13. Часткові ємності між провідниками, паралельно розташованими на підкладці і знаходяться в оточенні інших провідників, обчислюють за наступною формулою

, (5.1)

де i, j - номери провідників;

l - довжина провідників;

- Розрахункова діелектрична проникність ( = 2 = 6 при 2 1), де 1, 2 - діелектричні проникності відповідно навколишнього середовища та двоокису кремнію;

- Ємнісний коефіцієнт i-ого та j-ого провідників, який розраховується для даного випадку за такими формулами

, (5.2)

, (5.3)

де сенс параметрів ясний з малюнка 4.1.

= см; = см; = см; = см; = см; l = см.

Рис.5.1. Система паралельних провідників

,

,

пФ,

пФ.

Так як значення паразитних ємностей незначні, то ніяких заходів вживати не слід.

6. Оцінка надійності ІМС

У даному випадку інтенсивність відмов напівпровідникової ІМС з урахуванням того, що час появи раптових відмов розподілено за експоненціальним законом, визначається виразом

(6.1)

де m - число груп елементів;

- Число елементів даного типу;

- Поправочний коефіцієнт, що враховує вплив температури навколишнього середовища і електричного навантаження;

- Поправочний коефіцієнт, що враховує вплив механічного впливу, вологості і зміна атмосферного тиску; ; = 1,07 для польових умов експлуатації, = 2,5 при вологості 90% і температурі 40 , = 1 для висоти рівня моря;

- Інтенсивність відмов елементів, металізації, кристала і конструкції.

Значення інтенсивностей відмов визначимо за такими формулами

, (6.2)

, (6.3)

, (6.4)

де - Інтенсивність відмов із-за дефектів, обумовлених дифузією ( = );

- Інтенсивність відмов із-за дефектів металізації ( = );

- Інтенсивність відмов із-за дефектів оксиду ( = );

- Інтенсивність відмов із-за дефектів від сторонніх включень в корпусі ( = );

- Інтенсивність відмов із-за поверхневих і структурних дефектів кристала ( = );

- Інтенсивність відмов із-за неякісне кріплення кристала ( = );

- Інтенсивність відмов через обрив термокомпрессіонного зварного з'єднання ( = );

- Інтенсивність відмов через пошкодження корпусу (для пластмасового корпусу = );

, , - Інтенсивності відмов елементів, металізації, і кристала відповідно;

- Число стадій дифузії при формуванні елемента (для транзистора - 4, для резистора - 2, для конденсатора - 3);

, , - Площі елементів, металізації, і кристала відповідно (площа одного транзистора становить - 0,015 , Конденсатора - 0,058 , Сумарна площа металізації - 0,32 , Площа кристала - 1,15 ).

До компонентів ненадійності відноситься також корпус і з'єднання, значення інтенсивностей відмов яких були розглянуті раніше.

2,675 * (12 * 1,1 * ( * 4 + * 0,015) +1,7 * ( * 2 + * 0,073) + 1,7 * ( * 2 + * 0,012) +1,7 * ( * 2 + * 0,003) + 1,7 * ( * 2 + * 0,01) +1,7 * ( * 2 + * 0,009) +1,2 * ( * 2 + * 0,058) +1,3 ( + + ) * 0,32 + * 1,15 + + + =

Імовірність безвідмовної роботи для часу t = 10000ч визначимо за формулою

. (6 .5)

7. Технологія виготовлення мікросхеми

1.Хіміческая обробка пластин, двостадійна в перікісних-аміачних розчинах.

2.Окісленіе кремнію у вологому кисні при 1000 протягом 2год до отримання оксиду товщиною (0,6 0,06) мкм.

3.Фотолітографія для утворення вікон під - Прихований шар. Застосовувати фоторезист ФН 102. Нанесення фоторезиста і сушку здійснювати на агрегаті формування фоторезистивной покриттів АФФ 2. Сушіння проводити протягом 15 хв. Експанірованіе проводити в установці експанірованія ЕМ-569. Час експанірованія 40 сек. Прояв проводити протягом 20сек і температурою розчинника 50 . Після проявлення сушку проводити в два етапи: 30 хв при температурі 90 і 40 хв при температурі 200 . Для травлення шару розташованого під фоторезистивной маскою використовувати травитель наступного складу: HF: = 2:7:1.

4.Хіміческая обробка пластин у перікісних-аміачних розчинах.

5.Діффузія сурми для формування - Прихованого шару в дві стадії: загонками при 1000 протягом 20хв, обробка обложеного сурм'яно-силікатного скла у вологому кисні при 1000 , Зняття скла і оксиду в розчині HF, друга стадія разгонка при 1200 протягом 2 годин.

6.Снятіе оксиду в розчині : HF: = 7:1:3.

7.Хіміческая обробка пластин у перікісних-аміачних розчинах.

8.Епітаксіальное нарощування монокристалічного кремнію шару n-типу з газової суміші + при 1200 , Товщиною (7 0,1) мкм, з щільністю дефектів не більше , Легованого миш'яком.

9.Окісленіе поверхні епітаксійного шару при 1000 протягом 40 хв у сухому кисні для отримання оксиду товщиною (60 10) нм.

10.Фотолітографія для розтину вікон під розділову (ізолюючу) дифузію і вікон під дифузійні резистори на основі колекторної області. Застосовувати фоторезист ФН 102. Нанесення фоторезиста і сушку здійснювати на агрегаті формування фоторезистивной покриттів АФФ 2. Сушіння проводити протягом 15 хв. Експанірованіе проводити в установці експанірованія ЕМ-569. Час експанірованія 40 сек. Прояв проводити протягом 20сек і температурою розчинника 50 . Після проявлення сушку проводити в два етапи: 30 хв при температурі 90 і 40 хв при температурі 200 . Для травлення шару розташованого під фоторезистивной маскою використовувати травитель наступного складу: HF: = 2:7:1.

11.Двухстадійная дифузія бору: осадження на поверхню пластини боросилікатного скла з газової фази, що містить і , При 950 , Обробка боросилікатного скла у вологому кисні при 600 протягом 30 хв, зняття боросилікатного скла в травителей HF: = 1:10, разгонка при 1050 протягом 30 хв до товщини перевищує товщину епітаксійного шару.

12.Терміческое окислення структур при 1050 в сухому (10хв), вологому (20хв), і знову в сухому (10хв) кисні.

13.Фотолітографія для розтину вікон в оксиді для проведення базової дифузії над тими кишенями, де будуть формуватися транзистор і резистор на основі базового дифузійного шару. Застосовувати фоторезист ФН 102. Нанесення фоторезиста і сушку здійснювати на агрегаті формування фоторезистивной покриттів АФФ 2. Сушіння проводити протягом 15 хв. Експанірованіе проводити в установці експанірованія ЕМ-569. Час експанірованія 40 сек. Прояв проводити протягом 20сек і температурою розчинника 50 . Після проявлення сушку проводити в два етапи: 30 хв при температурі 90 і 40 хв при температурі 200 . Для травлення шару розташованого під фоторезистивной маскою використовувати травитель наступного складу: HF: = 2:7:1.

14.Двухстадійная базова дифузія домішки p-типу (бор). Загонками проводити протягом 20 хв при температурі 900 . Одночасно формується на базових областях окисел завтовшки 0,18 ... 0,2 мкм і проводиться разгонка 1ч при 1200 .

15. Фотолітографія для розтину вікон в оксиді над областями емітера транзистора і колекторного контакту нижньої обкладки конденсатора. Розмір емітера 100мкм, точність суміщення фотошаблона не більше 1 мкм.

16.Діффузія фосфору для отримання області емітера на глибину 1,3 мкм. Осадження проводити при температурі 960 .

17.Фотолітографія для розтину контактних вікон у до резисторам, до нижньої обкладки конденсатора і до областей транзистора.

18.Напиленіе плівки Al + (1%) Si товщиною (0,6 0,1) мкм, температура підкладки 200 , Температура відпалу 250 .

19.Фотолітографія по алюмінію для формування плівковою комутації, верхньої обкладки конденсатора і зовнішніх контактних майданчиків. Клин травлення і догляд розмірів не більше 1 мкм.

20.Осажденіе ізолюючого шару оксиду плазмохімічним способом при температурі 150 товщиною (1 0,1) мкм.

21.Фотолітографія по плівці захисного діелектрика для розтину вікон до контактних площадок мікросхеми та доріжок для скрайбування.

22.Скрайбірованіе пластин для поділу їх на кристали. Операції контролю та розбракування мікросхем за електричними параметрами та на функціонування на ще не розділених на кристали пластинах (на негідні кристали ставиться мітка фарбою). Потім проводиться поділ пластин на кристали без втрати їх взаємної орієнтування. Операції монтажу і складання в корпус.

Висновок

У процесі виконання курсового проекту була розроблена напівпровідникова інтегральна схема підсилювача. У курсовому проекті були виконані теплові розрахунки, розрахунок паразитних ємностей. Отримані в результаті розрахунку значення не перевищують максимально допустимих, зазначених у довідковій літературі. Та ж картина спостерігалася і при розрахунку паразитних ємностей, значення, отримані в процесі розрахунку, виявилися мізерно малими. Можна сказати, що паразитні ємності з подібними номінальними значеннями не будуть надавати, скільки б то не було, відчутний вплив на роботу підсилювача. Тому було прийнято рішення конфігурацію провідників залишити без змін. У процесі роботи був також здійснений розрахунок надійності.

Грунтуючись на значеннях топологічних розмірів елементів був розроблений топологічний креслення. Розробивши топологію, ми перейшли до вибору корпусу і в результаті зупинили свій вибір на корпусі види: «Корпус 1203 ГОСТ 17467 - 79». Важливим етапом з'явився етап розробки технологічного процесу виготовлення мікросхеми. У результаті можна зробити висновок, що останній цілком здатний забезпечити відтворення параметрів, закладених конструктором на етапі розробки напівпровідникової інтегральної схеми. І на закінчення всього можна зробити висновок, що розроблена нами мікросхема здатна зайняти гідне місце серед подібних їй виробів.

У підсумку можна сказати, що курсове проектування значно впливає на освоєння матеріалу навчального курсу і дає реальне уявлення про конструкторсько-технологічні роботи, що проводяться на етапі проектування.

Література

1. Конструювання і виробництво мікросхем. Курсове проектування: Учеб. посібник для вузів за спец. «Конструювання і виробництво радіоапаратури» і «Конструювання і виробництво електронно-обчислювальної апаратури» / За ред. Коледова Л.А. - М.: Вища школа, 1984.-231 с.

2. Матсон Е.А., Крижанівський Д.В. Довідковий посібник з конструювання мікросхем. - Мн.: Вишейшая школа, 1982.-224 с.

3. Матсон Е.А. Конструкції та технологія мікросхем: Навчальний посібник для радіотехн. спец. вузів. - Мн.: Вишейшая школа, 1985 .- 207 с.