Загальні відомості про мікроелектроніку
Електроніка пройшла кілька етапів розвитку, протягом яких змінилося кілька поколінь елементної бази: дискретна електроніка електровакуумних приладів, дискретна електроніка напівпровідникових приладів, інтегральна електроніка мікросхем (мікроелектроніка), інтегральна електроніка функціональних мікроелектронних пристроїв (функціональна мікроелектроніка).
Елементна база електроніки розвивається безупинно зростаючими темпами. Кожне з наведених поколінь, з'явившись в певний момент часу, продовжує вдосконалюватися в найбільш виправданих напрямках. Розвиток виробів електроніки від покоління до покоління іде в напрямку їх функціонального ускладнення, підвищення надійності і терміну служби, зменшення габаритних розмірів, маси, вартості і споживаної енергії, спрощення технології і поліпшення параметрів електронної апаратури.
Сучасний етап розвитку електроніки характеризується широким застосуванням інтегральних мікросхем (ІМС). Це пов'язано зі значним ускладненням вимог і завдань, що вирішуються електронною апаратурою, що призвело до зростання кількості елементів у ній. Число елементів стає більше. Розробляються зараз складні системи містять десятки мільйонів елементів. У цих умовах винятково важливе значення набувають проблеми підвищення надійності апаратури та її елементів, мікромініатюризація електронних компонентів і комплексної мініатюризації апаратури. Всі ці проблеми успішно вирішує мікроелектроніка.
Становлення мікроелектроніки як самостійної науки стало можливим завдяки використанню багатого досвіду і бази промисловості, що випускає дискретні напівпровідникові прилади. Однак у міру розвитку напівпровідникової електроніки з'ясувалися серйозні обмеження застосування електронних явищ і систем на їх основі. Тому мікроелектроніка продовжує просуватися швидкими темпами як у напрямі вдосконалення напівпровідникової інтегральної технології, так і в напрямку використання нових фізичних явищ.
Розробка будь-яких ІМС є досить складний процес, що вимагає вирішення різноманітних науково-технічних проблем. Питання вибору конкретного технологічного втілення ІМС вирішуються з урахуванням особливостей розроблюваної схеми, можливостей і обмежень, властивих різним способам виготовлення, а також техніко-економічного обгрунтування доцільності масового виробництва.
Ці питання знаходять рішення шляхом застосування двох основних класів мікросхем - напівпровідникових і гібридних. Обидва ці класу можуть мати різні варіанти структур, кожен з яких з точки зору проектування і виготовлення володіє певними перевагами і недоліками. За своїм конструктивним і електричним характеристикам напівпровідникові та гібридні інтегральні схеми доповнюють один одного і можуть одночасно застосовуватися в одних і тих же радіоелектронних комплексах.
При масовому випуску різних ІМС малої потужності, особливо призначених для ЕОМ, використовуються, в основному, напівпровідникові ІМС. Гібридні мікросхеми зайняли домінуюче становище в схемах з великими електричними потужностями, а також в пристроях НВЧ, в яких можна застосовувати як толстопленочную технологію, яка потребує жорстких допусків і високої точності нанесення і обробки плівок, так і тонкопленочную технологію для забезпечення нанесення плівкових елементів дуже малих розмірів .
Вироби мікроелектроніки: інтегральні мікросхеми різної ступенів інтеграції, мікроскладені, мікропроцесори, міні-і мікро-ЕОМ - дозволили здійснити проектування та промислове виробництво функціонально складної радіо-та обчислювальної апаратури, що відрізняється від апаратури попередніх поколінь кращими параметрами, вищими надійністю і строком служби, меншими споживаної енергією і вартістю. Апаратура на базі виробів мікроелектроніки знаходить широке застосування у всіх сферах діяльності людини. Створення систем автоматичного проектування, промислових роботів, автоматизованих і автоматичних виробничих ліній, засобів зв'язку і багато чому іншому сприяє мікроелектроніка. / 1 /
Мета роботи: проектування топології гібридної інтегральної мікросхеми К2ТС241 (RST-тригер)
1. ЗАГАЛЬНИЙ РОЗДІЛ
1.1 Характеристика схеми
Гібридні інтегральні мікросхеми (ГИМ) представляють собою мікросхеми, які містять крім елементів, нерозривно пов'язаних з підкладкою, компоненти, які можуть бути виділені як самостійний виріб.
До ГИМ відносяться: мікросхеми з високою точністю елементів і можливістю їх підстроювання, мікросхеми значної потужності, мікросхеми приватного застосування, мікросхеми НВЧ - діапазону.
Цифрові функціональні вузли, що містять елементи пам'яті (тригери), отримали назву послідовних вузлів. До них відносять тригери, лічильники, подільники, розподільники імпульсів. Ці функціональні вузли входять до складу багатьох серій ІВ.
Цифрову мікросхему як функціональний вузол характеризують системою сигналів, які доцільно розділити на інформаційні (X1. .. Xm - вхідні, Y1 ... Yn - вихідні) і керуючі (V1. .. Vk). Кожна схема у відповідності зі своїм функціональним призначенням виконує певні операції над вхідними сигналами (змінними), так що вихідні сигнали (змінні) представляють собою результат цих операцій Yj = F (X1 ,..., Xm). Операторами F можуть бути як найпростіші логічні перетворення, так і складні багатофункціональні перетворення, що мають, наприклад, місце в БІС пам'яті, мікропроцесорі та ін
Сигнали управління визначають вид операції, режим роботи схеми, забезпечують синхронізацію, установку початкового стану, коммутіруют входи і виходи, і т.д.
Дана схема являє собою імпульсний пристрій - RST - тригер.
Від функціональних можливостей тригерів і режимів управління їх роботою залежать характеристики регістрів, лічильників та інших вузлів.
Найпростіша схема тригера містить два входи, на які надходять сигнали, що управляють, і два виходи з різним рівнем напруг на них: низьким і високим.
При зміні комбінації сигналів на входах тригер стрибком переходить з одного стану в інший, коли змінюються рівні його вхідних напруг. Якщо один з рівнів вхідної напруги тригера прийняти за логічну одиницю, а інший - за логічний нуль, то, подаючи певну комбінацію електричних сигналів на входи тригера, його можна використовувати для зберігання та обробки двійкової інформації, розподілу і рахунки числа імпульсів і т.д.
В даний час широке поширення в імпульсної та цифрової техніки отримали інтегральні тригерні пристрої, реалізовані на основі логічних схем І-НЕ і АБО-НЕ.
Асинхронний Т-тригер має один інформаційний вхід і переключається фронтом, або зрізом надходять на його вхід імпульсів. Його називають рахунковим, так як число його перемикань відповідає числу надходять на його вхід імпульсів.
На практиці широко застосовуються різні варіанти схем асинхронних Т-тригерів з установочними R і S входами (RST-тригер) для встановлення тригера в стан «0» або «1». / 4 /
Тригером RST-типу (лічильний тригер з роздільним установкою) називають пристрій з двома стійкими станами і трьома входами (R, S і T), що поєднує в собі властивості тригерів RS-і T-типів. Входи Sd і Rd у даного тригера є установочними, а вхід T - рахунковим.
Схема може знаходитися в двох стійких станах, кожне з яких визначається комбінацією сигналів на входах тригера. Робота тригера RST-типу відображена в таблиці 1. Структурна схема RST-тригера представлена на малюнку 1.
Структурна схема RST-тригера
Q Q
1 січня Sd RST Rd
& & & &
Sd Rd T
Рис. 1
Таблиця 1
Мінімізована таблиця переходів RST-тригера
| tn | tn +1 | ||
| Rn | Sn | Tn | Qn +1 |
| 0 | 0 | 0 | Qn |
| 0 | 1 | Qn | |
| 0 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 0 |
Логічне рівняння тригера RST-типу, складене на основі табл. 1 з урахуванням
обмежень, що виключають заборонені комбінації сигналів, записується у вигляді
Qn +1 = Sn + Tn × Qn + Rn × T × Qn при S × T = R × T = R × S = 0
Схема RST-тригера аналогічна схемі тригера Т-типу і відрізняється від неї тільки наявністю двох настановних входів Rd і Sd. За цим входам здійснюється безпосередньо установка тригера в стан 0 (Q = 0) і 1 (Q = 1) відповідно.
Тригер RST-типу знаходить широке застосування в перерахункових схемах, пристроях управління, розподільниках і т.д. / 3 /
Електричні параметри даної схеми:
| Напруга джерела живлення: | 12В ± 10% |
| Споживаний струм: | 10мА |
| Робоча частота: | 10-20кГц |
| Чутливість по входу 6: | 4В |
| Те ж по входу 9: | 1.8В |
| Амплітуда вихідного імпульсу U вих: | 5В |
| Максимальна споживана потужність: | 150 мВт |
| Тривалість фронту і спаду вихідного імпульсу: | 5мкс |
Метод термовакуумного напилення (ТВН) заснований на створенні спрямованого потоку пари речовини і подальшої конденсації його на поверхнях підкладок, що мають температуру нижче температури джерела пари. Процес ТВН можна розбити на чотири етапи: утворення пари речовини, поширення пари від джерела до подложкам, конденсації пари на підкладках, освіта зародків і зростання плівки.
Утворення пари речовини виконується шляхом його випаровування або сублімації. Речовини переходять в пару при будь-якій температурі вище абсолютного нуля, але щоб збільшити інтенсивність пароутворення речовини нагрівають. Зі збільшенням температури підвищується середня кінетична жнергія атомів і вірогідність розривів міжатомних зв'язків. Атоми відривається і поширюються у вільному просторі, утворюючи пар.
Поширення пари від джерел до подложкам здійснюється шляхом дифузії і конвекції, на які в першу чергу впливає ступінь вакууму. Для зменшення втрат випаровується, за рахунок напилення на внутрішньокамерних оснастку і стінки камери, а також для підвищення швидкості напилювання і отримання більш рівномірною по товщині плівки необхідно забезпечувати прямолінійний рух частинок пари в напрямку підкладки. Це можливо за умови, якщо довжина вільного пробігу частинок пара буде більше відстані джерело-підкладка.
Конденсація пари на поверхню підкладки залежить від температури підкладки і щільності атомарного потоку. Атоми пара, досягли підкладки, можуть миттєво відбитися від неї, адсорбуватися і через деякий час відбитися від підкладки, адсорбуватися і після короткочасного мігрірованія по поверхні остаточно залишитися на ній.
Освіта зародків відбувається в результаті перебування атомами місць, відповідних мінімуму вільної енергії системи атом-підкладка. Зростання зародків відбувається за рахунок приєднання нових атомів. У міру конденсації пара зародки ростуть, між ними утворюються великі острівці. Після цього настає стадія злиття острівців з утворенням єдиної сітки. Сітка переходить в суцільну плівку, яка починає рости в товщину. З цього моменту вплив підкладки виключається і частинки пари від поверхні плівки практично не відображаються.
На етапі утворення зародків і росту плівки вплив залишкових газів на зростаючу плівку повинно бути зведено до мінімуму. Забезпечити це можна підвищенням ступеня вакууму або збільшенням швидкості пароутворення.
Якість плівки визначається також розміром зерна і величиною адгезії до поверхні підкладки. Підвищення температури підкладок зменшує щільність центрів зародкоутворення і, отже, сприяє формуванню крупнозернистих плівок, і, навпаки, підвищення щільності потоку пари речовини сприяє отриманню плівок з дрібнозернистою структурою.
Для поліпшення адгезії і структури плівок напилення проводять на нагріті до температури 200 ... 300 ° C підкладки.
Процес ТВН виконують у вакуумних камерах. Нагрівання здійснюють прямим або непрямим (теплопередачею від випарника) способами: шляхом пропускання електричного струму, струмами індукції, електронної бомбардуванням.
Процес починають із завантаження вакуумної камери: випаровується матеріал поміщають в тиглі, підкладки встановлюють у подложкодержателі, маски - у маскодержателі. Залежно від конструкції внутрішньокамерних пристроїв техніки виконання завантаження можуть різнитися. Потім камеру герметизують і виробляють відкачування повітря. При закритій заслінці виробляють нагрівання підкладок до заданої температури і випарників до температури випаровування. Проводять іонну очищення поверхонь підкладок. Відкачують камеру до граничного вакууму. Після цього відкривають заслінку і ведуть напилення плівки. При отриманні заданої товщини плівки процес напилення припиняють, перекриваючи атомарний потік заслінкою. Підложки охолоджують і після цього в камеру напускають повітря і виробляють вивантаження. / 2 /
1.2.2 Схема технологічного процесу виготовленняСхема послідовності нанесення шарів мікросхеми при масочном методі виготовлення представлена на рис.2
Схема послідовності нанесення шарів мікросхеми при масочном методі виготовлення
Напилювання резисторів через маску
Напилювання контактних майданчиків через маску
Напилювання ізоляційного шару через маску
Напилювання провідників через маску
Напилювання нижніх обкладок конденсаторів через маску
Напилювання діелектриків через маску
Напилювання верхніх обкладок конденсаторів через маску
Напилювання захисного шару через маску
Рис. 2
Для розробки даної схеми, необхідні такі вихідні дані:
Електричні вихідні дані:
схема електрична принципова (рис. 3);
електричні дані активних і пасивних елементів (табл. 2);
Конструктивні вихідні дані:
кількість зовнішніх контактних майданчиків;
Технологічні вихідні дані:
спосіб отримання тонких плівок;
Таблиця 2
Електричні дані активних і пасивних елементів
| Поз.обозн. | Найменування | Кількість |
| R1 | Резистор 22K ± 30% 90мВт | 1 |
| R2 | Резистор 22K ± 30% 10мВт | 1 |
| R3 | Резистор 10K ± 30% 5Мвт | 1 |
| R4 | Резистор 150 Ом ± 25% 10мВт | 1 |
| R5 | Резистор 22К ± 30% 10мВт | 1 |
| R6 | Резистор 10K ± 30% 5Мвт | 1 |
| R7 | Резистор 22К ± 30% 90мВт | 1 |
| R8, R9 | Резистор 10К ± 30% 5Мвт | 2 |
| C1 | Конденсатор 450пФ ± 30% Up = 12В | 1 |
| C2 | Конденсатор 200пф ± 30% Up = 12В | 1 |
| C3 | Конденсатор 430пФ ± 30% Up = 12В | 1 |
| C4 | Конденсатор 200пф ± 30% Up = 12В | 1 |
| VT1 ... VT4 | Транзистор КТ-359 А | 4 |
Для виготовлення даної схеми використовуються резистивні матеріали, які проводять матеріали, матеріали для захисту, діелектрики та матеріали для обкладок конденсаторів.
2.2.1 Вибір матеріали підкладкиМатеріалом підкладки в даній мікросхемі є ситалл.
Сіталл - склокерамічних матеріал, що отримується шляхом термообробки скла. За властивостями перевершує скло, добре обробляється.
Характеристики:
| Клас шорсткості поверхні: | 13 .. 14 |
| ТКЛР, 1 / ° C при T = (20 ... 300) ° C: | (50 ± 2) × 10-7 |
| Теплопровідність, Вт / м * ° C: | 1.5 |
| Температура розм'якшення, ° С: | 620 |
| Діелектрична проникність при f = 106 Гц і Т = +20 ° C: | 5 ... 8.5 |
| Тангенс кута діелектричних втрат при f = 106 Гц і Т = +20 ° С: | 20 × 10-4 |
Сіталл володіє високою хімічною стійкістю до кислот, не пористий, дає незначну об'ємну усадку, газонепроникної, при високих має малу газоотдача.
2.2.2 Вибір резистивного матеріалу
Вибір матеріалу для створення резисторів залежить від їх номіналів. Оскільки для цієї схеми Rmax / Rmin> 50 (22kОм/0.150кОм = 146.7) необхідно використовувати 2 матеріали.
Для створення резистора R4 (150 Ом) найбільш доцільно використовувати ніхром марки Х20н80 (ГОСТ 8803-58) Кф = 3.
Тонкі плівки ніхрому володіють дрібнозернистою структурою, підвищеними значеннями питомого поверхневого опору, низькими значеннями температурного коефіцієнта поверхневого опору. В якості вихідного матеріалу використовується ніхром марки Х20н80, що володіє з усіх ніхромом найнижчим значенням температурного коефіцієнта поверхневого опору. У
залежно від товщини плівок та умов їх нанесення параметри плівкових резисторів можна регулювати в широких межах.
Властивості плівки ніхрому Х20н80:
| Питомий поверхневий опір rs, Ом / ð: | 50 |
| ТКR при температурі -60 ¸ 125 ° C: | -2.25 × 10-4 |
| Допустима потужність розсіювання P0, Вт/cм2: | 2 |
Для створення інших резисторів найбільш доцільно використовувати Кермет К-50С (ЕТО.021.013 ТУ). Кф = 2.2 (для резисторів 22кОм) та 1 (для резисторів 10кОм)
Керметние резистивні плівки містять діелектричну і провідну фази. Ці плівки наносять методом випаровування у вакуумі суміші порошків металів (Cr, Ni, Fe) і оксидів (SiO2, Nd2O3, TiO2), причому співвідношення між кількістю тих і інших визначає основні властивості плівок. Керметние плівки мають гарну однорідністю властивостей, підвищеною термостійкістю.
Властивості плівки кермети К-50С:
| Питомий поверхневий опір rs, Ом / ð: | 10000 |
| ТКR при температурі -60 ¸ 125 ° C: | -5 × 10-4 |
| Допустима потужність розсіювання P0, Вт/cм2: | 2 |
Матеріал контактних майданчиків і з'єднань - золото з подслоем хрому.
2.2.3 Вибір матеріалу для обкладок конденсаторів і матеріалу діелектрикаМатеріал діелектрика повинен мати гарну адгезію до підкладки і матеріалу обкладок, мати високу електричною міцністю і малими втратами, мати високу діелектричну проникність і мінімальну гігроскопічність, не розкладатися в процесі формування плівок.
Обкладки конденсаторів повинні мати високу провідність, корозійну стійкість, технологічну сумісність з матеріалом підкладки і діелектрика, хорошу адгезію до підкладки і діелектрика, високу механічну міцність.
Так як робоча напруга для всіх конденсаторів Uр = 12В, для створення конденсаторів в даній схемі найбільш доцільно використовувати в якості діелектрика скло електровакумне С41-1 (НПО.027.600). Матеріал для напилювання обкладок - Алюміній А99 (ГОСТ 11069-64).
| Питомий поверхневий опір плівки обкладок rs, Ом / ð: | 0.2 |
| Питома ємність C0, пФ/см2: | 20 000 |
| Робоча напруга Up, В: | 12.6 |
| Діелектрична проникність e при | = 1кГц: | 5.2 |
| Тангенс кута діелектричних втрат tgd при | = 1кГц: | 0.002-0.003 |
| Електрична міцність Eпр, В / см: | 3 × 106 |
| Робоча частота |, МГц, не більше: | 300 |
| Температурний коефіцієнт ємності ТКС при Т = -60 ¸ 125 ° C, 1 / ° C: | (1.5-1.8) × 10-4 |
Матеріали провідників і контактних площадок повинні мати малий питомий опір, гарну адгезію до підкладки, високу корозійну стійкість.
У даній схемі для цих цілей найбільш доцільно використовувати алюміній А99 (ГОСТ 11069-58) з подслоем ніхрому Х20н80 (ГОСТ 2238-58)
| Товщина підшару (ніхром Х20н80): | 0.01-0.03 |
| Товщина шару (алюміній А99): | 0.3-0.5 |
| Питомий поверхневий опір rs, Ом / ð: | 0.1-0.2 |
Перевага алюмінію, як провідникового матеріалу, полягає в тому, що він дешевший багатьох інших матеріалів.
2.2.5 Вибір матеріалу для захистуДля створення захисного шару в даній схемі найбільш доцільно використовувати окис кремнію SiO2, має такі параметри:
| Питома ємність С0, пФ/мм2: | 100 |
| Питомий об'ємний опір rV, Ом × см: | 1 × 1013 |
| Електрична міцність Eпр, В / см: | 6 × 105 |
При виготовленні даної мікросхеми доцільно використовувати спосіб отримання конфігурації за допомогою вільної маски, так як допуски на номінал не перевищують 20%.
Залежно від способу нанесення плівки, властивостей матеріалу плівки, вимог щодо точності, щільності розміщення елементів і інших факторів, вибирають метод вільної (знімною) або контактної маски.
Метод вільної (знімною) маски заснований на екрануванні частини підкладки від потоку частинок напилюваного речовини за допомогою спеціального трафарету - знімною маски, яка з високою точністю повторює спроектовану топологію тонкоплівкової структури.
Маску називають знімною, тому що вона виготовляється і існує окремо від підкладки. Знімна маска - це тонкий екран з металевої фольги з отворами, обриси і розташування яких відповідають необхідної конфігурації напилюваної плівки. При напиленні плівкових елементів маску закріплюють у маскодержателе, який забезпечує щільний притиск і її фіксоване положення по відношенню до підкладки.
У промислових умовах найбільшого поширення набули біметалічні маски. Такі маски представляють собою пластину товщиною 80-100мкм з берилієвої бронзи, покритий з однієї або двох (для тришарових масок) сторін тонким шаром нікелю (10-20мкм). Бронзова пластина служить механічним підставою, конфігурація досягається за рахунок малюнка в шарі нікелю.
Біметалічні маски розраховані на багаторазове застосування. Зазвичай вони витримують близько ста циклів напилення плівок, після чого підлягають заміні.
Схема виготовлення тонкоплівкової інтегральної мікросхеми за допомогою вільних масок представлена на рис. 4
Схема виготовлення тонкоплівкової інтегральної мікросхеми за допомогою вільних масок
A B
1
2
3
4
5
6
A - вільна маска; B - підкладка
1,2 - напилення резисторів, провідників і контактних площадок
3-6 - напилювання верств конденсатора і захисної плівки
Рис. 4
2.4 Вибір компонентівУ даній схемі 4 активних компоненти: транзистори VT1 ... VT4.
Для реалізації даної схеми найбільше підходять за параметрами безкорпусних малопотужні біполярні транзистори КТ359А.
Основні параметри:
| Тип провідності: | npn |
| Максимальний струм колектора Ік max, мА: | 20 |
| Максимальна потужність в ланцюзі колектора Pк max, мВт: | 15 |
| Постійна напруга колектор-емітер при Rеб £ 10 кОм Uке, В: | 15 |
| Коефіцієнт посилення по струму в схемі з загальним емітером h21е: | 50-280 |
| Діапазон робочих температур, ° C | -50 ¸ 85 |
Габаритні розміри, мм:
| a: | 0.75 |
| b: | 0.75 |
| L | не більше 3 |
| H: | 0.34 |
Інтервал робочих температур: -50 ¸ 85 ° C
Маса не більше 0.010г
Розміри контактних майданчиків залежать від способу отримання конфігурації (для маски: зовнішні - 0.4 * 0.4 мм, внутрішні 0.2 * 0.25 мм)
Спосіб встановлення на плату, габаритні і приєднувальні розміри транзистора зображені на рис. 5
Спосіб встановлення на плату, габаритні і приєднувальні розміри транзистора КТ359А
L
0.2
0.75
n 0.75 n + 0.2
mm + 0.2
H
Рис. 5
2.5 Розробка схеми з'єднаньРозробка комутаційної схеми з'єднань є складовою частиною топологічного проектування і включає в себе перетворення вихідної електричної схеми з метою складання плану розміщення елементів і з'єднань між ними на підкладці мікросхеми.
Основні принципи розробки: спрощення конфігурації електричної схеми для зменшення кількості перетинань і вигинів, отримання прямих ліній і поліпшення суб'єктивного сприйняття, виділення на перетвореної схемою плівкових і навісних елементів, розміщення на електричній схемі внутрішніх і периферійних контактних майданчиків.
Комутаційна схема представлена на рисунку 6.
Комутаційна схема
Б1 К2 Б4 К3
C3 C1
К1 R3 C2 C4 R6
K4 R1 R7 R2
R5 R4 R8 R9
Е2 Б2
Е4 Е1 Е3 Б3
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Рис. 6
2.6 Вибір корпусуКорпус призначений для захисту мікросхеми від механічних та інших впливів дестабілізуючих факторів (температури, вологості, сонячної радіації, пилу, агресивних хімічних і біологічних середовищ і т.д.)
Конструкція корпусу повинна задовольняти наступним вимогам: надійно захищати елементи та з'єднання мікросхеми від впливів навколишнього середовища і, крім того, забезпечувати чистоту і стабільність характеристик матеріалів, що знаходяться в безпосередньому зіткненні з кристалом напівпровідникової мікросхеми або платою гібридної мікросхеми, забезпечувати зручність і надійність монтажу і збірки мікросхеми в корпус; відводити від неї тепло; забезпечувати електричну ізоляцію між струмопровідними елементами мікросхеми та корпусом; володіти корозійної та радіаційною стійкістю; забезпечувати надійне кріплення, зручність монтажу і складання корпусів у складі конструкції осередків та блоків мікроелектронної апаратури, бути простою і дешевою у виготовленні, мати високою надійністю.
Для мікросхем серії K224 використовується використовується мателло-Скляний корпус типу «Трап», так він має необхідну кількість висновків і задовольняє всім необхідним требованіям.Данний корпус має прямокутну форму. Всі 9 висновків розташовані в один ряд по одній стороні.
Деякі параметри корпусу представлені нижче:
маса - 3.0 г;
потужність розсіювання при Т = 20 ° С - 2 Вт
метод герметизації корпусу - аргонодугового.
3. РОЗРАХУНКОВИЙ РОЗДІЛ 3.1 Методика розрахунку пасивних елементів 3.1.1 Методика розрахунку тонкоплівкових резисторівКонструктивний розрахунок тонкоплівкових резисторів зводиться до визначення форми, геометричних розмірів і мінімальної площі, займаної резисторами на підкладці.
Визначаємо оптимальне значення опору квадрата резистивної плівки:
Для реалізації плівкових резисторів вибираємо резистивний матеріал з питомим опором, близьким до розрахункового.
Для резисторів R1 .. R3, R5 .. R9 (rs.опт = 14.8 кОм / ð) найбільш доцільно використовувати резистивний матеріал Кермет K50-C ЕТО.021.013 ТУ (rs = 10 кОм / ð, P0 = 2 Вт/см2, ТКR = -5 × 10-4).
Для резистора R4 (rs опт = 150 Ом / ð) - ніхром Х20н80 ГОСТ 2238-58 (rs = 50 Ом / ð, P0 = 2 Вт/см2, ТКR = -2.25 × 10-4)
Проводимо перевірку правильності обраного матеріалу з точки зору точності виготовлення резисторів.
Точність виготовлення резистора залежить від похибки Kф (gКф), від темпрературной похибки (gRt °), похибки відтворення питомого опору резистивної плівки (grs), від похибки старіння (gст) і від похибки опору на перехідних контактах (gRпк):
gR = gКф + grs + gRt ° + gRст + gRпк
Похибка Кф визначає точність геометричних розмірів резистора:
gКф = gR - grs - gRt ° - gRст - gRпк
Похибка Кф залежить від похибки геометричних розмірів:
Похибка відтворення питомого опору залежить від умов нанесення плівки. В умовах стандартної технології і серійного виробництва, grs = 5%.
Температурна похибка залежить від ТКR:
gRt ° = aR (Tmax - 20 ° C)
Похибка старіння залежить від матеріалу плівки, і умов експлуатації:
gRст = 3%
Похибка перехідних контактів залежить від геометричних розмірів контактних майданчиків і площі перекриття їх і резистивної плівки.
gRпк = 1%
Похибка Кф для першого матеріалу (Кермет):
gRt ° = -5 × 10-4 (55 - 20) = -1.75%
gКф = 30 - 5 + 1.75 -3 -1 = 22.75%
Похибка Кф для другого матеріалу (ніхром):
gRt ° = -2.25 × 10-4 (55 - 20) = -0.79%
gКф = 25 - 5 + 0.79 -3 -1 = 16.79%
Визначаємо геометричні розміри резисторів за значенням коефіцієнта форми.
Так як коефіцієнт форми лежить в межах від 1 до 10, то найбільш оптимальною буде прямокутна форма резистора.
bрассч ³ max íbточн., bmin, bрý
Для масочного способу отримання конфігурації bmin = 200мкм.
bрассч = 200 мкм
bтоп - найближче кратне кроку координатної сітки. При масштабі 20:1 крок координатної сітки дорівнює 50 мкм.
bтоп = 200 мкм
lрассч = bрассч × Кф = 200 × 2.2 = 440 мкм
lполн = lтоп + 2e
e = 20 мкм
lтоп = 450 мкм
lполн = 450 + 40 = 490
Визначаємо площу, яку буде займати резистор на підкладці.
S = b × lполн = 200 × 490 = 98000 мкм
Результати розрахунку резисторів за допомогою програми представлені у таблиці 3.
Таблиця 3
Результати розрахунку тонкоплівкових резисторів
| R1 | R2 | R3 | R4 | R5 | R6 | R7 | R8 | R9 | |
| Довжина l, мкм | 490 | 490 | 200 | 640 | 490 | 200 | 490 | 200 | 200 |
| Ширина b, мкм | 200 | 200 | 200 | 200 | 200 | 200 | 200 | 200 | 200 |
| Площа S, мкм2 | 98000 | 98000 | 48000 | 128000 | 98000 | 48000 | 98000 | 48000 | 48000 |
Розрахунок зводиться до опреденію площі перекриття обкладок.
Мінімальна товщина діелектричного шару обмежена вимогою отримання суцільної плівки без наскрізних отворів та із заданою електричною міцністю. Мінімальна товщина діелектрика визначається за формулою:
dmin = KзUраб / Eпр = 3 × 12 / 3 × 106 = 0.12 мкм
Kз - коефіцієнт запасу електричної міцності. Для плівкових конденсаторів Kз = 3;
Uраб - робоча напруга;
Eпр - електрична міцність матеріалу діелектрика.
Визначаємо питому ємність конденсатора, виходячи з умови електричної міцності:
C0V = 0.0885e / d = 0.0885 × 5.2/0.12 × 10-4 = 383 Пф/мм2
Оцінюємо відносну температурну похибку:
gCt = aC (Tmax - 20 ° C) = 1.5 × 10-4 (55 - 20) = 0.52%
aC - ТКС матеріалу діелектрика;
Tmax - максимальна робоча температура мікросхеми.
Сумарна відносна похибка ємності конденсатора визначається за формулою:
gC = gС0 + gSдоп + gCt + gCст
Відносна похибка питомої ємності залежить від матеріалу і похибки товщини діелектрика і становить 5%:
gС0 = 5%
Відносна похибка, обумовлена старінням плівок конденсатора залежить від матеріалу та методу захисту і зазвичай не перевищує 3%:
gCст = 3%
Допустима похибка активної площі плівкового конденсатора залежить від точності геометричних розмірів, форми і площі верхніх обкладок і визначається за формулою:
gSдоп = gс - gC0 - gCt - gCст
gSдоп ³ gS
DL - похибка довжини верхньої обкладки. При масочном способі отримання конфігурації DL = 0.01 мм.
Розрахунок площі виробляємо з умови квадратної форми обкладок (L = B, Кф = 1 / 2)
C0 £ íC0 точн, C0V ý
C0 = 383 Пф/мм2
Найбільш доцільно вибрати матеріал скло електровакумне C41-1 з C0 = 400 Пф/мм2, але так як робоча напруга даного матеріалу - 6.3 В, а робоча напруга конденсатора - 12 В, то даний матеріал не підходить і потрібно вибрати інший матеріал - скло електровакумне C41 -1 з C0 = 200 пФ/мм2 і робочою напругою 12.6 В.
Визначаємо коефіцієнт форми:
Кф = C/C0 = 430/200 = 2.15
Так як Кф лежить в межах від 1 до 5, то коефіцієнт, що враховує крайовий ефект K = 1.3.
Визначаємо площу верхньої обкладки:
S = C/C0K = 1.654 мм2
Визначаємо розміри верхньої обкладки конденсатора:
L = B = ÖS = 1.29мм
Визначаємо розміри нижньої обкладки:
Lн = Bн = L +2 q
Розмір перекриття нижньої і верхньої обкладок q = 0.2 мм.
Lн = Bн = 1.68мм
Визначаємо розміри діелектрика:
Lд = Bд = Lн +2 f
Розмір перекриття діелектрика і нижньої обкладки f = 0.1мм.
Lд = Bд = 1.88мм
Результати розрахунку конденсаторів за допомогою програми представлені в таблиці 4.
Таблиця 4
Результати розрахунку тонкоплівкових конденсаторів
| С1 | С2 | С3 | С4 | |
| Довжина L, мм | 1.29 | 0.88 | 1.29 | 0.88 |
| Ширина B, мм | 1.29 | 0.88 | 1.29 | 0.88 |
| Площа S, мм2 | 1.654 | 0.769 | 1.654 | 0.769 |
CLS
PRINT: PRINT "----------------"
INPUT "Номінал резистора, Ом"; r
INPUT "Питомий опору резистивної плівки, Ом / квадрат"; r0
kf = r / r0
PRINT "Кф ="; kf
deltaL = .01
deltaB = .01
INPUT "Похибка Кф"; Fkf
INPUT "розсіюється потужність P0 у Вт / см ^ 2 * 10 ^ -3"; p0
p0 = 2
INPUT "Потужність резистора P в мВт"; p
bt = ((deltaB + deltaL / kf) / Fkf) * 1000
br = SQR (p / (p0 * 10 ^ -3 * kf))
bmin = 200
PRINT "Bточн ="; bt; "мкм"
PRINT "BР ="; br; "мкм"
PRINT "Bmin ="; bmin; "мкм"
bras = bt
IF br> bras THEN bras = br
IF bmin> bras THEN bras = bmin
PRINT "----------> Bрасч = "; bras
INPUT "Bтоп - найближче кратне кроку координатної сітки. Bтоп ="; btop
lras = bras * kf
e = 20
PRINT "Lрасч =;"; lras
INPUT "Lтоп - найближче кратне кроку координатної сітки. Lтоп ="; ltop
lpoln = ltop + 2 * e
S = btop * lpoln
PRINT "Площа S ="; S
END
3.2.2 Програма розрахунку тонкоплівкових конденсаторівCLS
INPUT "C ="; c
INPUT "C0 ="; c0
cc0 = c / c0
PRINT "c/c0"; cc0
IF cc0> = 5 THEN k = 1
IF cc0> = 1 AND cc0 <5 THEN k = 1.3
PRINT "k ="; k
s = c / (c0 * k)
PRINT "S ="; s
L = SQR (s)
PRINT "L ="; L
b = s / L
PRINT "B ="; b
q = .2
f = .1
ln = L + 2 * q
bn = ln
PRINT "Lн ="; ln
PRINT "Bn ="; bn
ld = ln + 2 * f
bd = ld
PRINT "Lд ="; ld
PRINT "Bд ="; bd
END
3.3 Розрахунок площі підкладкиРозрахунок площі підкладки зводиться до визначення суми площ резисторів, конденсаторів, навісних елементів, внутрішніх та всешніх контактних майданчиків.
Площа плати, необхідна для розміщення топологічної структури ІМС, визначають виходячи з того, що корисна площа плати менше її повної площі, що обумовлено технологічними вимогами і обмеженнями. З цією метою вживають коефіцієнт запасу K, значення якого залежить від складності схеми і способу її виготовлення складає 2-3. Для даної схеми K = 3.
Найбільш доцільно вибрати розмір плати 5x6мм, але, так як у схемі всі зовнішні контактні майданчики розташовані в один ряд, необхідно вибрати розмір плати 8x15мм.
3.4 Оцінка теплового режимуРозрахунок зводиться до визначення температури транзисторів і всіх резисторів.
Нормальний тепловий режим забезпечується при виконанні умов:
Tе = Tc max + Qк + Qе £ Tmax дод,
TНК = Tc max + Qк + Qе + Qвн £ Tmax дод,
де Tmax - максимальна температура навколишнього середовища в процесі експлуатації;
Т max доп - максимальна допустима робоча температура елементів і компонентів, задана ТУ.
Qк - перегрів корпусу;
Qе - перегрів елементів;
Qвн - перегрів областей pn переходів транзисторів.
Максимальна температура при експлуатації інтегральної мікросхеми K2TC241 TCmax = 55 ° С. Споживана потужність - 150мВт.
Перегрів корпусу визначається конструкцією корпусу і потужністю розсіювання мікросхеми, особливостей монтажу, способу охолоджування і оцінюється за формулою:
Qк = PS / (a × St),
де PS - споживана потужність мікросхеми;
a = 3 × 102 Вт/м2 - коефіцієнт теплопередачі при теплоотводе через шар клею.
St = 8 × 15 мм - площа контакту корпусу з теплоотводом.
Отже:
Qк = 150 × 10-3 / (3 × 102 × 8 × 15 × 10-6) = 16.7 ° C
Внутрішній перегрів областей pn переходів транзистора КТ359А щодо підкладки визначається за формулою:
Qвн = Rt вн × Pе,
де Pе - розсіює потужність транзистора;
RTвн - внутрішнє тепловий опір, залежне від конструктивного виконання.
Для транзистора КТ359А RTвн = 860 ° С / Вт, Pе = 15мВт.
Отже:
Qвн = 860 × 15 × 10-3 = 12.9 ° C
Перегрів елементів за рахунок розсіювання потужності PЕ обчислюється за формулою:
Qе = Pе × RT,
де Pе - розсіюється ливість елемента;
Rт - внутрішнє тепловий опір мікросхеми:
RТ = [(hп / lп) + (hк / lк)] × [1 / (B × L)],
де hп = 0.6мм - товщина підкладки;
hк = 0.1мм - товщина клею.
lп = 1.5 Вт / м с - коефіцієнт теплопровідності матеріалу підкладки;
lк = 0.3 Вт / м с - коефіцієнт теплопровідності клею;
B, L - розміри контакту тепловиділяючого елемента з підкладкою;
Розрахунок перегріву всіх елементів і компонентів за рахунок розсіювання потужності представлений в таблиці 5.
Таблиця 5
Результати розрахунку перегріву елементів і компонентів інтегральної мікросхеми К2ТС241 (RST-тригер)
| Розрахункові значення | Елементи і компоненти | ||||
| КТ359А | R1 (R7) | R2 (R5) | R3 (R8, R9) | R4 | |
| довжина L, мм | 0.75 | 0.49 | 0.49 | 0.2 | 0.64 |
| ширина B, мм | 0.75 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 |
| Расс. потужність, Вт | 15 × 10-3 | 90 × 10-3 | 10 × 10-3 | 5 × 10-3 | 10 × 10-3 |
| RT, ° C / Вт | 1.3 | 7.5 | 7.5 | 18.25 | 5.7 |
| Qе, ° C | 0.0195 | 0.675 | 0.075 | 0.09 | 0.057 |
Максимальна допустима робоча температура всіх матеріалів резистивної плівки складає 125 ° С.
Максимальна робоча температура транзистора КТ359А становить 85 ° C.
TКТ359А = 55 + 16.7 + 0.0195 + 12.9 = 84.6 ° C <85 ° C
TR1 (R7) = 55 + 16.7 + 0.675 = 72.3 ° C <125 ° C
TR2 (R5) = 55 + 16.7 + 0.075 = 71.78 ° C <125 ° C
TR3 (R8, R9) = 55 + 16.7 + 0.09 = 71.79 ° C <125 ° C
TR4 = 55 + 16.7 + 0.057 = 71.8 ° C <125 ° C
Розрахунок показав, що для даної схеми забезпечується допустимий тепловий режим, так як температура самого теплонавантаженому елемента (транзистор КТ359А) не перевищує максимально допустимої.
ВИСНОВКИУ ході курсового проектування були обрані: технологія отримання тонких плівок, тонкоплівкових елементів, матеріал підкладки, тонкоплівкових резисторів, конденсаторів, провідників і контактних площадок, захисту, метод отримання конфігурації, навісні компоненти, корпус.
Була розроблена схема з'єднань, проведено розрахунок плівкових резисторів, конденсаторів, площі підкладки, розроблена і викреслена топологія.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ1. І.Є. Єфімов, І.Я. Козир, Ю.І. Горбунов Мікроелектроніка .- М.: «Вища школа»,
1986.
2. І.А. Малишева Технологія виробництва інтегральних мікросхем .- М.: Радіо і зв'язок,
1991.
3. І.М. Букрєєв Б.М. Мансуров В.І. Горячев Мікроелектронні схеми цифрових
пристроїв .- М.: «Радянське радіо», 1975.
4. Д.В. Ігумнов, Г.В. Корольов, І.С. Громов «Основи мкроелектронікі» .- М.: «Вища
школа », 1991.
5. Л.А. Коледов Конструювання і технологія мікросхем .- М.: «Вища школа», 1984.
6. І.Є. Єфімов, І.Я. Козир, Ю.І. Горбунов Мікроелектроніка .- М.: «Висшаяшкола»,
1987.
7. М.М. Калінін, Г.Л. Скібінський, П.П. Новіков Електрорадіоматеріали .- М.: «Вища школа», 1981.
8. А.Б. Ломов, Проектування гібридних інтегральних мікросхем. - М.: «МКІП», 1997.