презентационные слайды
Post on 11-Jul-2015
258 Views
Preview:
TRANSCRIPT
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
top related