Проектирование гибридных микросхем

Кутлин Н.Х.Куншин С.Е.

“Нормальная конструкция” базируется на ламповой технике, дискретных

компонентах, технологии объемного монтажа с ручной сборкой.

“Миниатюрная конструкция” базируется на применении миниатюрных элементов и печатного

монтажа. Применение техники печатных схем позволило увеличить плотность монтажа и

автоматизировать процессы сборки и монтажа РЭА.

“Микроминиатюрная конструкция” базируется на модульном принципе монтажа ЭА. Этот

метод включает в качестве основного элемента конструкции некоторую ячейку

(модуль), стандартную по размеру, способам сборки и монтажа.

“Микромодульная конструкция” - основным элементом которой, является микро плата

стандартного размера с нанесенными на нее одного или нескольких микроэлементов и

соединенных между собой проволочными выводами.

“Микроэлектронные интегральные схемы” - это конструктивно законченное изделие

электронной техники, содержащее совокупность электрически связанных между собой

ЭРЭ, изготовленных в едином технологическом цикле.

Введение

Классификация конструкций РЭА

Введение

Классификация интегральных микросхем (ИМС)по конструктивно-технологическому признаку

ИМС

Пленочные

ИМС

Прочие

ИМС

Полупроводниковые

ИМС

Биполярные

ИМС

Совмещенные

ИМС

МДП ИМС

Тонкопленочные

ИМС

Толстопленочные

ИМС

Гибридные

ИМС

Введение

Классификация интегральных микросхемпо степени интеграции

Тема 1

Этапы проектирования РЭА на ИМС

Разработка ТЗ

Синтез функциональной схемы (ФС)

Обоснование выбора физических методов

реализации функциональных преобразований

Синтез электрических схем

Разработка конструкции ИМС и технологии их

изготовления

Тема 1

Условия работоспособности ИМС

xi и yi – соответственно параметры элементов ИМС

и выходные параметры ИМС, являющиеся в общем

случае случайными величинами; ai – границы

работоспособности, являющиеся неслучайными

величинами.

mnm

n

n

axxxy

axxxy

axxxy

),...,(

...........................

),...,(

),...,(

21

2212

1211

Этапы инженерного расчета ИМС

статистический расчет компонентов ИМС дляопределения параметров активных и пассивныхэлементов, напряжений питания, потребляемоймощности, помехоустойчивости и так далее;

анализ динамических характеристик элементовИМС;

статистический расчет характеристик ИМС с учетомтехнологического разброса параметровкомпонентов, разработка требований к параметрамИМС;

расчет геометрии элементов и формированиетребований к технологическому процессу;

расчет оптимальной топологической картыразмещения элементов;

выбор и обоснование системы защиты ИМС –корпусирование, заливка и так далее.

Тема 1

Тема 2

Оптимальное число элементов на плате

где N1, N2, ... Nk – число элементов в каждой из

K групп;

P1, P2, ... Pk – средние вероятности

изготовления годного элемента в каждой из этих групп;

kN

k

NNPPP

N...ln

121

21

опт

Тема 3

Пленочные резисторы

l

l*

b

1

2

3d

1

b

l

a

3

б)а)

2

1 - резистивная плѐнка;2 - плѐночный проводник;3 – области контактов.

Тема 3

Пленочные резисторы типа меандра

оптимальное число звеньев

LBtln сропт

Выбор материала резистивной пленки

12

1

1

2

опт

)(i

i

n

ii

n

i

i

l

b

R

R

0, где 22222

iiii LbR 0

Тема 3

Модель контактного перехода между резистивной пленкой толщиной

и шириной b, перекрываемой проводящей пленкой на длине l*

R

dx

0

l

I

* проводник

Сопротивление перехода

URdx

Ud0

2

2

Распределение потенциала по

координате x

mthlb

RR

*

1пер

0

Суммарная мощность, рассеиваемая единицей площади контактного перехода

)1( 2

2

2

0 mlcthb

IPK

0

Тема 3

Зависимость степени

уменьшения плотности тока

от геометрии контактной

зоны

Зависимости сопротивления

расширенной зоны от

степени расширения

Тема 3

Конструкции пленочных резисторов для ступенчатой подгонки

сопротивления

b

l 0

l

а) б)

Тема 3

Точность отношения резисторов

1

2

2

1

где,21

1 21

2

1 b

br

b

bbb

RR

1 – основной пленочный резистор; 2 –пленочный резистор точной подгонки;3 –пленочный резистор грубой подгонки.

Тема 3

Крутизна подгонки

сопротивления резистора

точной подгонки

Сопротивление резистора точной

подгонки Rтmax при максимальной

глубине прорези xт

Тема 3

Крутизна подгонки

сопротивления резистора

грубой подгонки

Сопротивление резистора грубой

подгонки Rтmax при максимальной

глубине прорези xт

Тема 4

Емкость пленочного конденсатора

а)

A

B

S

12

3 К

A

B

S

12

3

б)

в)

Конструкции пленочных конденсаторов

d

Sn

d

SC

0885.0

4

0– относительная

диэлектрическая проницаемость диэлектрика

S – площадь перекрытия обкладок; d – толщина диэлектрика;

n – количество диэлектрических слоев

Тема 4

Емкость планарного конденсатора

L

а в

d

п пE

,2

)2/(

40422.0

n

bdcth

n

dthlС

2

ЗП и - проницаемости материала покрытия металлизированных областей и подложки

З п

Тема 4

Конструкция прецизионного конденсатора

Сн.ч

С1

2

3

4С

С

С

а)

С н.ч

СС

С

1

i

n

б)

С

СС

31

0НЧ

C

CC31

Емкость не подгоняемой части конденсатора

Емкость подгоночной секции

Тема 5

Тонкопленочные RC-структуры с распределенными параметрами

Структура типа RC-NR Структура типа CR-NC

R

NR

1 2

3 4

Д

R

C

NR

1 2

3 4

R1 2

Д1

Д2

3

4

C

NС1 2

3

4

Одномерная модель RC-NR структуры

RdXI1 1I

2II2

dI

Id

-

+NRdXU1 2U

dX

CdX

Id

l

dxUcjJ

UxCxRNjdx

Ud

0

12,1

12

1

2

,

,)()()1(

0 < x < l – длина структуры

R(x) и C(x) – соответственно сопротивление и емкость структуры на единицу длины

Тема 5

Решения системы уравнений для однородных RC-структур с

трехполюсным включением

Ва

ри

ант

Схема

включения А-матрица Z-матрица

Функция

передачи

1

2 C

R

U 1 U

chsh

R

shR

ch

sh

ch

sh

shsh

chR

1

1

ch

T1

)(

2

C

R U2U1

21

11

ch

sh

R

ch

shR

ch

ch

sh

ch

sh

chsh

ch

sh

chR

12

1

1

ch

chT

1)(

3

1U2U

R

C

11

12

ch

ch

ch

sh

R

ch

shR

sh

ch

sh

chsh

ch

sh

chR

1

112

2

1)(T

RCjRCPRC

Тема 5

Варианты схем режекторных фильтров на основе RC-структур

Параметр

1 2 3 4

U 1 U

R

C

2NR

NC

2C

R

U1U

U 1 UR

C 2

NR

NC 2

C

R

U1U

0

0

1

1

dU

dUS

0,338 0,338 0,0936 0,0938

RC0 11,187 11,187 30,8 30,8

N 0,0562 0,0562 4,58 4,58

1/N 17,786 17,786 0,218 0,218

01

2

U

U 1 1 1 1

01

2

U

U 1 1 0

1

N 0

1

N

Тема 5

Z-матрица для схемы №1

pRCR

RpRCcthpRC

R

RpRCcsh

pRCR

RpRCcshpRC

R

RpRCcth

pC

RZ

11

11

NRR1

Траектория движения нулей при изменении коэффициента N

Зависимость частоты минимальной передачи фильтра

от коэффициента N

Тема 5

Продольное сечение RC-структуры в зависимости

от направления смещения

R

L LL

/

R

L LL/

а) б)

Соответствующие им схемы фильтров

C

RR

CR0

2

1

а)

2

0RC

RR

C

1

б)

Тема 5

Функция передачи

RC-структур

)(

)(1

shchshNch

chshNT

для схемы а для схемы б

N=R0/R; = С2/С = С1/С

= R1/R = R2/R

Траектория движения нулей при изменении коэффициента для различных значений N

C

RR

CR0

2

1

а)

2

0RC

RR

C

1

б)

Условие нулевого баланса

0)(1 chshN

Тема 5

Зависимость частоты режекции от изменения параметра

настройки для различных значений N

Тема 5

Избирательные RC-усилители

1U 0 U2

U 3U4

k

Коэффициент передачи

0

0

)(1 K

KpT

К0 коэффициент усиления усилителя при отсутствии избирательной

цепи обратной связи

( ) коэффициент передачи цепи обратной связи

Тема 5

Зависимость частоты

максимума и добротности от

коэффициента усиления К0

Добротность RC-усилителя 002

1SKQ

S0 крутизна АЧХ режекторного

фильтра вблизи нулевой частоты

Зависимость предельного относительного изменения

параметров от коэффициента усиления

QRCP

4

11

8,11частота максимума

Тема 5

Схема Кервина

C

R

+k

UвхвыхU

Функция передачи напряжения при холостом ходе

chQKK

KQT

)1(

pRCQ

Траектория движения доминирующих

полюсов от коэффициента усиления K

для различных значений емкости C RC-

структуры с распределенными параметрами

RC3

Тема 5

Схема Джонсона

вхU

+k

R

C

1R Uвых

Функция передачи схемы

shchKK

KT

)1(

= R/R1

Траектория движения доминирующего полюса при

изменении коэффициента усиления

jwRC

K

sRC

a1 a2

Тема 5

Активный фильтр нижних частот

UвыхвхU

+k

С1 С2

R1 R2

R3

m

Функция передачи

)())(1())(1(

)(

2112121221121

22

MnMKBMMmBKBKMAmBBK

mMBKT

.2,1;;;

;;;;1

312

1

2

iB

AMchBshA

CRpR

RRRR

R

Rm

i

iiiiii

iii

Траектория движения доминирующего полюса при

изменении коэффициента jwRC

K=1,01

K=1,0

m=0,1

m=0,05

sRC

aa

Тема 5

Активный режекторный фильтр

выхUR1

C

R

+k

Uвх R0 C1

Номограмма для определения доминирующих полюсов схемы

-50

-40

-30

-20

-10

0

10,1 10 wRC

Активный РФ К=1

Пассивный РФ

дб

Тема 6

Погрешности выходного параметра от физических и

геометрических параметров элементов

2222

lbR

0

2

1

2

ср1

22

П

2n

ii

n

ii АА

00000

2

1

2

12

2

22

срП

n

i i

b

b

n

i i

b

bb

А

b

Аii

b

2

1

2

12

2

22

срП

n

i i

l

b

n

i i

l

ll

А

l

Аii

l

2

1

2

1

222

срП

n

ijij

n

ijij АА

j

222

уд SCC

Тема 6

Графический способ определения коэффициента корреляции

СР2CP1CPП2П1П;

21

21

CP21CPcos r

ji

ji

RR

k

kk

ijr

3

1

cpcp

k – номер фактора; i j

для комплекса из n резисторов

коэффициент корреляции rij равен

Тема 6

Погрешность выходного параметра за счет геометрических

размеров резисторов

jiiKKbb

AA

Kb

A l

b

ji ji

jilb

n

i i

i

ФФ

2

2

2

Ф

22

12

22 ср

срФ2

ji jiji

ji

l

n

i ii

il

ji ji

jiji

b

n

i i

iib

SSRR

AA

SA

R

SS

RRAA

S

RA 2

12

22

1

222

срсрФ22

10

0

Погрешность выходного параметра за счет сопротивления

квадрата резистивной пленки

Оптимальное значение сопротивления квадрата резистивной

пленки

ji jiji

ji

l

n

i ii

i

ji ji

jiji

b

n

i i

ii

l

b

SSRR

AAm

SA

R

SS

RRAAm

S

RA

2

12

2

1

2

опт

2

2

0

mb = bср/ b

ml = lср/ l,

Тема 6

Технологические данные и ограничения

последовательное нанесение слоѐв плѐночной структуры

оригинал топологи ГИС должен выполнятся в прямоугольной системе координат в масштабе 10:1 или

20:1

при разработке топологических чертежей должны предусматриваться поля. При масочном методе не

менее 0,5 мм, при фотолитографии не менее 1мм

для совмещения элементов, расположенных в разных слоях, предусматривают перекрытие не менее

200мкм при масочном методе и 100мкм при фотолитографии

для измерения номиналов элементов предусматриваются контактные площадки размером не менее

200 200мкм

компоненты устанавливают на расстоянии не менее 0,5 мм от плѐночных элементов и не менее 600мкм

от контактной площадки; минимальное расстояние между компонентами составляет 300мкм

длина проволочных выводов компонентов 600мкм-3мм; не рекомендуется делать перегиб вывода

через навесной компонент

минимальное расстояние между пленочными элементами 300мкм при масочном методе и 100мкм при

фотолитографии

минимально допустимая ширина плѐночных резисторов и проводников составляет 200мкм при

масочном методе и 50мкм при фотолитографии

Тема 6

Характеристики материалов подложек гибридных ГИСХарактеристика

Материал

Стекло

Ситал СТ50-1

Плавленный

кварц

Керамика

Металл*

Полимид* П

М-1

С41-1

С48-3

22ХС(96

AL2O

3)

Поликор

Глазурование

Брокери

т (98

BeO)

Класс чистоты

обработки

поверхности

14 14 13 14 14 12 12 14 14 Высота

микроне

ровност

ей

0,45мкм

12 14 12 14

Температурный

коэффициент

линейного

расширения

ТКЛР( 107) при

Т=20 300 С,град-

1

41 2 48 2 50 2 55 60 5 70 75 73 78 70 62 200

Коэффициент

теплопроводност

и, Вт/(м С)

1 1,5 1,5 7 15 10 30 45 1,2 1,7 210 40 4,5

Диэлектрическая

проницаемость

при f=106Гц и

Т=20 С

7,5 3,2 8 5 8,5 3,8 10,3 10,5 13 16 6,4 9,5 6 7 3,5

Тангенс угла

диэлектрических

потерь ( 104) при

f=106Гц и Т=20 С

20 15 20 -- 6 10 18 16 6 30

Объѐмное

сопротивление

при Т=25 С,

Ом см

1017 1014 -- 1015 -- -- -- 1014 1014 1017

Электрическая

прочность, кВ/мм

40 40 -- -- 50 -- 50 20 -- 15

Тема 6

Характеристики многокомпонентных систем тонкоплѐночных

проводников и контактных площадок

Материал подслоя и покрытия Толщина слоѐв,

мкм

Удельное

поверхностное

сопротивление

s, Ом/

Рекомендуемый способ

контактирования

внешних выводов

Подслой – нихром Х20Н80

Слой – золото Зл999,9 0,01 0,03

0,6 0,8

0,03 0,05 Пайка микропаяльником

или сварка импульсным

косвенным нагревом

Подслой – нихром Х20Н80

Слой – медь МВ

(вакуумплавленая)

Покрытие – никель

0,01 0,03

0,6 0,8

0,08 0,12

0,02 0,04

Сварка импульсным

косвенным нагревом

Подслой – нихром Х20Н80

Слой – медь МВ

(вакуумплавленая)

Покрытие – золото Зл999,9

0,01 0,03

0,6 0,8

0,05 0,06

0,02 0,04

Пайка микропаяльником

или сварка импульсным

косвенным нагревом

Подслой – нихром Х20Н80

Слой – алюминий А97 0,01 0,03

0,3 0,5

0,06 0,1

Сварка сдвоенным

электродом

Подслой – нихром Х20Н80

Слой – алюминий А97

Покрытие - никель

0,04 0,05

0,25 0,35

0,05

0,1 0,2

Сварка импульсным

косвенным нагревом

Тема 6

Характеристики материалов, применяемых для защиты

элементовМатериал диэлектрика Удельная

ѐмкость С0,

пФ/мм2

Тангенс угла

диэлектричес

ких потерь на

f=1кГц, tg

Удельное

объѐмное

сопротивлени

е v 10-12

,

Ом см

Электриче

ская

прочность

Епр 10-5

,

В/см

Температурны

й

коэффициент

ѐмкости

ТКС 104 при

Т=-60 85 С,

град-1

Моноокись кремния 17 0,03 1 30 5

Халькогенидное стекло

ИКС-24

50 0,01 1 4 5

Негативный фоторезист

ФН-108

12 0,01 1 1 5

Фоторезист ФН-11 50-80 -- 3 6 --

Лак полимерный

электроизоляционный

80-100 -- 2 5 --

Окись кремния 100 -- 10 6 --

Паста ПД-3 160 0,002 -- 5 3

Паста ПД-4 220 0,003 -- 5 3

Тема 6

Типоразмеры плат

№

типор

азмер

а

Шири

на

Длина №

типор

азмер

а

Шири

на

Длина №

типор

азмер

а

Шир

ина

Длина №

типора

змера

Шир

ина

Длин

а

1

2

3

4

5

96

60

48

30

24

120

96

60

48

30

6

7

8

9

10

20

16

12

10

10

24

20

16

16

12

11

12

13

14

15

5

2.5

16

32

8

6

4

60

60

15

16

17

18

19

8

24

20

20

10

60

45

45

Размеры указаны в миллиметрах

Тема 6

Конструктивно-технологические характеристики корпусовдля герметизации гибридных ИМС

Условное обозначение

корпуса

Вариант

испол-нения

Масса, г,

не более

Размеры мон-

тажной площад-ки, мм

Мощность

рассеивания при темпера-

туре 20 С, Вт

Метод герме-

тизации корпу-са

1203(151.14-2,3)

1203(151.15-1)

1203(151.15-2,3)

1203(151.15-4,5,6)

1206(153.15-1)

1207(155.15-1)

1210(157.29-1)

ТРОПА

ПЕНАЛ

АКЦИЯ

МС

МС

МС

МС

МС

МС

МС

МП

МП

МП

1,6

2,0

1,6

2,4

2,8

6,5

14,0

1,5

2,4

1,8

15,6 6,2

17,0 8,3

15,6 6,2

14,0 6,2

17,0 15,3

16,8 22,5

34,0 20,0

8,1 8,1

20,1 8,1

16,1 10,1

3,2

1,6

3,3

3,2

2,0

2,5

4,6

0,7

0,6

0,5

КС

АДС

КС, АДС

КС

АДС

КС

ЛС

ЗК

ЗК

ЗК

МС и МП – металлостеклянные и металлополимерные корпуса

для посадки платы в корпус используют клей холодного отверждения

КС, АДС, ЛС, ЗК – конденсаторная, аргонодуговая, лазерная сварка и заливка

компаундом соответственно

Тема 7

Принципы практического проектирования и компоновки топологической структуры ГИС

минимизация площади, занимаемой

элементами, компонентами и схемы в целом

минимизация числа пересечений межэлементных соединений

равномерное расположение элементов и компонентов на

площади подложки

минимизация числа используемых материалов для реализации

пленочных элементов

минимизация длины соединительных проводников

Тема 7

Способы монтажа компонентов на плату

Тема 7

Способы установки транзисторов на плату

Способы установки на плату бескорпусных диодных матриц, диодных сборок, диодов

Тема 7

Способы монтажа конденсаторов на плату

Расчет ориентировочной площади платы

r

i

m

i

k

jC

n

iR IIJI

SSSSkS1

HK1

K11

k коэффициент запаса по площади (2-3);

IIJISSSS CR HKK ,,, площади, занимаемые резисторами, конденсаторами,

контактными площадками и навесными компонентами соответственно

Тема 7

Основные принципы разработки коммутационной схемы соединений

упрощение конфигурации электрической схемы для уменьшения числа

пересечений и изгибов линий

выделение на преобразованной схеме пленочных и навесных элементов

снабжение электрической схемы внутренними и периферийными

контактными площадками

рассмотрение пассивной части как графа, вершинами которого являются

контактные площадки, а ребрами пассивные элементы электрической

цепи. Преобразование исходной схемы осуществляется перекладыванием

ребер графа до тех пор, пока число пересечений внутрисхемных

соединений не будет сведено к минимуму. При этом одновременно решают

задачу взаимного расположения элементов и соединений с учетом

равномерного расположения периферийных контактных площадок и

кратчайшего пути прохождения электрического сигнала

Тема 7

Пример разработки коммутационной схемы соединений