Ім'я файлу: курсовой проект полупров. ИМС.docx
Розширення: docx
Розмір: 481кб.
Дата: 27.06.2020

Міністерство освіти і наукиУкраїни

Київський технікум електронних приладів

Розробка топології

МІКРОСХЕМИ В НАПІВПРОВІДНИКОВОМУ ВИКОНАННІ

Пояснювальна записка до курсового проекту

ПВ 17171 11 ПЗ

Розробив студент

групи 390-ЕТ

_________ Петренко К.А.

Перевірив

_________ Шевченко Н.П.

2020

Зміст

Арк.

1. Технологія виготовлення напівпровідникових ІМС 3

1.1.Конструкція та етапи виготовлення напівпровідникової ІМС 3

2. Вихідні дані для проектування топології 5

2.1. Схемотехнічні дані 5

2.2. Конструктивно-технологічні вимоги та обмеження 5

2.3. Вибір корпусу 6

3. Правила побудови топології ІМС 7

4. Конструкція активних елементів 9

5. Розрахунок інтегральних резисторів 10

6. Розрахунок площі кристалу 11

7. Розрахунок паразитних зв’язків 12

8. Висновки 13

Література 14



Мікроелектроніка – це галузь електроніки, що охоплює проблеми дослідження, конструювання, виготовлення та застосування мікроелектронних виробів, електронних пристроїв з високим ступенем інтеграції, галузь електроніки, яка займається створенням пристроїв у мікромініатюрному інтегральному виконанні.

Розвиток виробів електроніки від покоління до покоління іде у напрямі їх функціонального ускладнення, підвищення надійності і продовження строку служби, зменшення габаритних розмірів, маси, вартості і споживаної енергії, спрощення технологій і поліпшення параметрів електронної апаратури.

Інтегральна схема (ІС, ІМС) – мікроелектронний виріб, що виконує визначену функцію перетворення та обробки сигналів й має високу щільність упакування електрично з’єднаних елементів і кристалів.

Напівпровідникова технологія - характеризується тим, що як активні, так і пасивні елементи схем виконуються всередині обсягу напівпровідника, який і є основою ІС. Напівпровідникові ІС забезпечують високу ступінь інтегрування. 
Вартість елементів мікросхеми, виконаної в інтегральному виконанні по напівпровідникової технології, в значній мірі визначається площею, займаної ними на напівпровідниковій пластині. 

Переваги напівпровідникових ІМС перед гібридними такі: 
1. Більш висока надійність внаслідок меншого числа контактних з'єднань, обмеженої кількості використовуваних матеріалів, а також через те, що напівпровідникову ІМС можна виготовити тільки з монокристалічної, надчистої, напівпровідникової структури; 
2. Велика механічна міцність в результаті менших (приблизно на порядок) розмірів елементів; 
3. Менша собівартість виготовлення напівпровідникових ІМС внаслідок більш ефективного використання переваг групової технології.

4. Використання ІМС дозволяє різко знизити масу та габарити апаратури.

1. ТЕХНОЛОГІЯ ВИГОТОВЛЕННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ІМС

1.1. Конструкція та етапи виготовлення напівпровідникової ІМС

Етапи виготовлення п-р-п транзистора представлені на рисунку 1.



Рисунок 1 Етапи виготовлення n-p-nтранзистора.

  1. Механічна обробка поверхні робочої сторони пластини кремнію р-типу до 14 класу чистоти та травлення в парах HClдля видалення порушеного шару

  2. Окислення для створення захисної маски при дифузії домішки n-типу

  3. Фотолітографія для вскриття вікон в окислі і проведення локальної дифузії в місцях формування прихованих шарів






  1. Дифузія для створення прихованого n+-шару

  2. Зняття окисла і підготовка поверхні перед процесом епітаксіального нарощування

  3. Формування епітаксійної структури

  4. Окислення поверхні епітаксіального шару для створення захисної маски при розділяючій дифузії

  5. Фотолітографія для вскриття вікон під розділяючу дифузію

  6. Проведення розділяючої дифузії і створення ізольованих карманів

  7. Окислення

  8. Фотолітографія для вскриття вікон під базову дифузію

  9. Формування базового шару дифузією домішки р-типу

  10. Окислення

  11. Фотолітографія для вскриття вікон під емітерну дифузію

  12. Формування емітерного шару дифузією домішки n-типу

  13. Фотолітографія для вскриття контактних вікон

  14. Напилення плівки алюмінія

  15. Фотолітографія для створення рисунку розводки та нанесення шару захисного діелектрику

2 ВИХІДНІ ДАНІ ДЛЯ ПРОЕКТУВАННЯ ТОПОЛОГІЇ

2.1 Схемотехнічні дані

Розрахунок та проектування топологічної структури напівпровідникової ІМС повинен бути направлений на отримання оптимальної конструкції мікросхеми, яка забезпечує високу надійність при мінімальних технологічних витратах. Вихідними даними для розробки топології є: схемотехнічні (електричні) допуски та вимоги, технологічні дані та вимоги, технологічні обмеження, конструктивні дані та вимоги:

а)Схема електрична принципова

б)Параметри резистора:

R1 = 9000 Ом

Таблиця 1 Умови експлуатації

Інтервал робочих температур, ºС

Допустимі багаторазові зміни температури, ºС

Відносна вологість при 40ºС, %, не більше

Прискорення, м/с2, не більше

При багаторазових ударах

При вібрації на частоті

-10...+70

-10...+70

98

147

3-600


2.2. Конструктивно-технологічні вимоги та обмеження

Таблиця 2 Конструктивно-технологічнівимоги та обмеження

Назва технологічного елементу

Позначення

мкм

1. Ширина лініїскрайбування




60

2. Відстаньвід центру скайбуючої полоски до краю шару металізаціїабо до краю дифузійноїобласті




50-100

3. Розмірконтактної площадки підтермокомпресійнезварювання

d1

100*100

4. Відстань від краю контактного вікна до ізолюючої області п-типу для подачі зміщення до краю розділяючої області

d22

6

5. Ширина дифузійної перемички




3

6. Розмір вікна в пасивуючому оксиді

d23

100*100

7. Відстань від краю вікна в пасивації до краю контактної площадки

d24

6

8. Відстань між сусідніми резисторами

d25

7

9. Відстань між контактною площадкою та провідником

d26

7

2.3 ВИБІР КОРПУСА

Вимоги до корпуса:

1. Мати достатню механічну міцність та корозійну стійкість.

2.Мати стандартні мінімально необхідні розміри.

3.Забезпечувати чистоту середовища навколо мікросхеми.

4.Дозволяти легко і надійно здійснювати електричні з'єднання між елементами мікросхеми і печатної плати, на яку встановлюється мікросхема.

5.Забезпечувати мінімальні паразитні ємності і ємності конструкції,

6.Забезпечувати надійну ізоляцію між
струмопровідними елементами.


7.Бути герметичним і затримувати проникнення вологи до мікросхеми, яка захищається.

8.Забезпечувати найменший тепловий опір між мікросхемою, яка розміщується в корпусі, і навколишнім середовищем.

9.Захищати мікросхему від дії електромагнітного поля і радіаційного опромінення.

10. Забезпечувати можливість автоматизації процесу збірки.

11.Мати мінімальну вартість.

12.Конструкція повинна бути простою та економічною у виготовленні.

Для даної мікросхеми вибрано метало-скляний корпус.

3 ПРАВИЛА ПОБУДОВИ ТОПОЛОГІЇ ІМС

  1. До ізолюючого р-n перехода завжди повинна бути прикладена напруга зворотнього зсуву, що практично здійснюється приєднанням підкладки р-типу, чи області розділової дифузії р-типу, до крапки схеми з найбільш негативним потенціалом. При цьому зворотня напруга, прикладена до ізолюючого р-n переходу, не повинне перевищувати напругу пробою

  2. Резистори, формовані на основі базового дифузійного шару, можна розташувати в одній ізольованій області, що підключається до самого позитивного потенціалу схеми, тобто до колекторного джерела живлення.

  3. Резистори на основі емітерного і колекторного шарів варто розташовувати в окремих ізольованих областях.

  4. Для зменшення місць локального нагрівання, резистори з великою потужністю, що розсіюється, не слід розташовувати поблизу активних елементів, а рекомендується виносити їх на край кристала.

  5. Коли наявність паразитних ємностей не істотна, резистори можуть бути розміщені в тих же ізольованих областях, що і транзистори. При цьому не має значення, чи повинні вони з'єднуватися між собою.

  6. Відстань між дифузійною базовою областю і контактом колектора може бути збільшено, для того щоб провести одну чи дві металеві доріжки між контактами колектора і бази. Колекторний струм головним чином протікає від бази через схований шар до колекторного контакту. Однак чим більше відстань між базою і колектором, тим більше паразитний опір і паразитна ємність колектора.

  7. Найбільш важливим правилом при розробці топології є мінімізація площі, яку займає мікросхема. Це дозволяє збільшити число мікросхем, виготовлених на пластині з заданим діаметром. Розміри мікросхем залежать від числа ізолюючих областей та їхньої площадки, а також від сумарної площі сполучної металізації.


4 КОНСТРУКЦІЯ АКТИВНИХ ЕЛЕМЕНТІВ


Транзистори типу n-p-n+. Біполярний транзистор типу n-p-n+ є основ­ним схемним елементом напівпровідникових ІМС.

1 – контактні ділянки; 2 – діелектрична плівка

3 – базова область; 4 – колекторна область

1 – контактні ділянки; 2 – діелектрична плівка

3 – базова область; 4 – колекторна область

5 – емітерна область; 6 – підкладка

7 – прихований п+ шар

Рисунок 2 Конструкція інтегрального n-p-n транзистора

Біполярний транзистор типу n-p-n+ є основ­ним схемним елементом напівпровідникових ІМС.
Конструкція n-p-n+ показаний на рисунку 2, параметри областей транзистора приведені в таблиці 3.

Таблиця 3 Параметри областей інтегрального n-p-n транзистора

Найменування області

Концентрація домішок N, см3

Товщина шару d, мкм

Питомий об'ємний опір матеріалу ρ, Ом*см

Питомий поверхневий опір шару ρ, Ом/кв.

Підложка р-типу

1,5*1015

200-400

10




Прихований n+ шар




2,5-10




10-30

Колекторна n область

1016

2,5-10

0,15-5,0




Базова р-область

5*1018

1,5-2,5




100-300

Емітерна n+ область

1021

0,5-2,0




2-15

Ізолююча область




3,5-12




6-10

Плівка оксиду Si




0,3-0,6







Металічна плівка (алюміній)




0,6-1,0

1,7-10

0,06-0,1

Розрахунок площі одного транзистора n-p-n+ типу.

SVT1=LVT1×BVT1 , де (1)

LVT1=147,5мкм -довжина транзистора

BVT1=105мкм -ширина транзистора

SVT1=147,5×105=15487,5мкм2

Площа всіх транзисторів ∑6i=1SVti = 15487,5×6 = 92925мкм2

5 РОЗРАХУНОК ІНТЕГРАЛЬНИХ РЕЗИСТОРІВ

Топологія інтегральнoго резистора показана на рисунках 3.


Рисунок 3 Конструкція резистора на базовому шарі
Проектування резистора з заданим номіналом:

Опір резистора

R=Rs l/b, де

Kф = l/b, де (2)

Kф - коефіцієнт форми.
Для резисторів можна використовувати топологію, наведену на рисунку3.Розрахункове співвідношення для визначення опору резистора в цьому випадку

R = ρо (l/b + 2k2) (3)

Довжину резистора:

l = b(R/ ρо – 2×kф) (4)
Розрахунок резистора R1 = 9000 Ом на базовому шарі:

ρ= 300 Ом/кВ.

Вибираємо ширину резистора: b = 20 мкм.
l = b(R/ρ0 – 2×k ) = 20(9000/300 - 2×0,65) = 574 мкм.
Розраховуємо площу резистора:
S R5= Lk×Bk = 73400 мкм2




6 РОЗРАХУНОК ПЛОЩІ КРИСТАЛУ
Спочатку визначають орієнтовану площу кристалу по формулі:
(5)
де: S - площа кристалу

K - коефіцієнт використання підложки, K= 2 – 3
Сумарна площа, яку займають резистори:

SR= 73400 мкм2
Площа однієї контактної площадки:

S = 1* ( 125 * 125 )= 15625мкм 2.
Сумарна площа, яку займають контактні площадки:

Sкп = 3*15625 = 46875 мкм2
Сумарна площа, яку займають транзистори:

Snpn= =92925 мкм2
В нашому випадку:

К = 2 ;
S кр = 2 * (73400 + 46875 + 92925) = 426400 мкм 2.
7 РОЗРАХУНОК ПАРАЗИТНИХ ЗВ’ЯЗКІВ

Розрахунок паразитних ємностей найдовших провідників на поверхні кристала:



(6)




(7)
де: С1.2 – ємність між двома паралельними провідниками

e1 – діелектричні проникність кремнію.

e2 – діелектрична проникність навколишнього середовища.

l – довжина двох паралельних провідників, см.

F1.2 – ємнісний коефіцієнт для двох провідників.

b1, b2 – ширина першого і другого провідника відповідно, мм.

a - відстань між провідниками, мм.
Паразитний зв’язок між двома довгими провідниками.
e1,2 = 3,9

b1,2 = 0,0125 мм, a= 0,0075 мм, l= 0,1125 см
F1.2 = 1,56 + 0,41 * lg ( 0,00015625 / 0,00005625 ) = 1,56 + 0,1819 = 1,7419
C1.2 = 0,0885 * ( 7,8 / 2 ) * 0,1125 * 1,7419 = 0,06763 пФ

8 ВИСНОВКИ

В курсовому проекті було розроблено топологію мікросхеми в напівпровідниковому варіанті. В першу чергу при розробці приділялась увага найбільш компактному розташуванню елементів мікросхеми. При розрахунку топології було обчислено паразитні зв’язки елементів ІМС.

В графічній частині показано електричну принципову, комутаційну схеми, топологію напівпровідникової ІМС.

Конструктивно - технологічні особливості напівпровідникової мікросхеми дають їй ряд переваг таких, як малі розміри елементів до десятків мікрон, як наслідок більшу кількість елементів на одиницю площі кристалу, а також високу щільність упакування елементів. Всі елементи напівпровідниковой є одним цілим з кристалом, що позитивно впливає на теплопровідвідність і механічну стійкість схеми. Недоліком виступає складність процесу виготовлення, який потребує високі вимоги “електронної гігієни", дороге та високоточне обладнання для виконання складних хімічних процесів.


ЛІТЕРАТУРА


  1. Коледов Л.А.

Конструирование и технология микросхем

Москва, Высшая школа , 2010, -231 с.


  1. Николаев И.М. , Филинюк Н.А.

Интегральные микросхемы и основы их проектирования,

Москва, Радио и свіязь , 2012, -424 с.
скачати

© Усі права захищені
написати до нас