Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Обеспечить минимальную стоимость изготовления микросхемы.

Электрические требования

Напряжение питания 9 В

Диапазон рабочих частот НЧ

Потребляемый ток не более 15мА

Потребляемая мощность 135 мВт

Конструктивные требования

Микросхема должна иметь законченную конструкцию. Предназначена для установки на печатную плату в горизонтальном исполнении.

Необходимо обеспечить:

· точность изготовления пленочных элементов 0.01 мм;

· минимальные габариты;

· максимальную стандартизацию и унификацию конструкции;

· защиту от воздействия окружающей среды.

1.1.3 Производственно-технологические требования:

Тип производства - мелкосерийный. Необходимо обеспечить максимальную технологичность. Технология изготовления - тонкопленочная. Метод формирования рисунка - фотолитография. Шаг координатной сетки - 0,05 мм.

1.1.4
Эксплуатационные требования

Тип климата - УХЛ, группа эксплуатации - 3.

Значение температуры воздуха при эксплуатации

верхнее значение +60 °С;

нижнее значение -40 °С;

среднее значение +10 °С;

диапазон рабочих температур 100 °С.

Относительная влажность - 70% при температуре + 25 °С

Микросхема должна подвергаться следующим механическим испытаниям

на прочность при воздействии синусоидальной вибрации;

на прочность при воздействии механических ударов одиночного действия;

на прочность при транспортировании;

на прочность при падении.

Срок службы 7 лет.

Гарантийный срок хранения 5 лет.

Дополнительные требования

Обеспечить минимальную стоимость изготовления микросхемы.

1.2 Обеспечение технических требований

Исходные данные определяют обеспечиваемые при разработке и расчетах технические требования.

Требования и размеры ограничения к топологии определяются методом формирования рисунка - фотолитографией и заданными в перечне элементов мощностями рассеяния.

Заданный интервал температур определяет тепловой режим микросхемы, который обеспечивается требованиями к топологии платы, и материалам конструкций.

Требования к конструкции и технологии ГИС определяются также элементной базой, анализ которой приведен в следующем подразделе.

При производстве должны соблюдаться требования по изготовлению платы, элемента и микросхемы по ОСТ4 Г0.054.028.

Технические требования, необходимые для изготовления усилителя низкой частоты приведены на чертежах.

1.3 Анализ элементной базы

Согласно перечню (ГКИЮ 468725.017 ПЭЗ) элементов заданный усилитель низкой частоты содержит резисторы R1…R7, транзисторы VT1…VT6.

Проанализировав разброс номиналов и мощностей у резисторов и вследствие того, что он невелик, допустимые отклонения одинаковые, можно сделать вывод, что все резисторы целесообразно изготовить пленочные методом термовакуумного напыления.

Заданные транзисторы 2Т307В СБО.336.026 ТУ, которые являются кремниевыми, бескорпусными, n-p-n-типа, устанавливаются в микросхемах по варианту 3.

Установка транзисторов производится в виде навесных компонентов для снижения трудоёмкости, стоимости и увеличения надёжности, что обеспечивает высокую технологичность при мелкосерийном типе производства. Таким образом обеспечения технических требований вполне реализуемо и изготовление уселителя низкой частоты в интегральном исполнении возможно с достаточной технологичностью.

2. Выбор и обоснование выбора материалов

Резистивные материалы

Выбор резистивного материала осуществляется по нижеприведенному алгоритму, при этом резистивный материал должен обладать следующими свойствами [3],[4]:

1. Хорошей адгезионной способностью, чтобы все наносимые материалы напылялись за один вакуумный цикл и затем все элементы формировались методами фотолитографии.

2. Удельное поверхностное сопротивление резистивного материала (ρ_S) должно быть таким, чтобы обеспечить максимальную степень интеграции при минимальных размерах платы. Для этого коэффициент формы пленочных резисторов (К_Ф) простой прямоугольной формы должен лежать в интервале (0.5;10); по возможности не изготавливать резисторы сложной формы. При расчете группы тонкопленочных резисторов, входящих в состав одной ИМС и располагаемых на одной плате, крайне нежелательно использовать различные резистивные материалы или пленки из одного и того же материала, но различной толщины; допускается применение двух слоев - высокоомного и низкоомного.

. Иметь наибольшее значение удельной мощности рассеивания резистивного материала (Р_о).

. Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) должен обеспечивать заданные допустимые отклонения резисторов от номинального значения в процессе эксплуатации.

. Иметь минимальный коэффициент старения.

6. Обеспечивать максимальную технологичность.

Поскольку , то целесообразно изготавливать резисторы из различных материалов.

Для получения приемлемых значений коэффициента формы К_Ф высокоомных резисторов, принимаем сопротивление квадрата резистивной пленки ρ_S=2000 Ом. Такое удельное поверхностное сопротивление обеспечивает материал кермет К-50С. Таким образом, мы выбираем материал: Кермет К-50С ЕТО.021.033 ТУ

Выбранный материал имеет ТКС, обеспечивающий заданное допустимое отклонение резистора от номинального значения в процессе эксплуатации; имеет удовлетворительную адгезию. Для него разработана хром-керметная технология, по которой за один вакуумный цикл производиться напыление на предварительно активированную ионной бомбардировкой подложку последовательно кермета, хрома, алюминия и никеля. Затем элементы формируются методами фотолитографии.

Недостатком кермета является невысокая адгезия. Для ее обеспечения перед напылением (ионно-плазменным распылением) необходимо производить активизацию подложки ионной бомбардировкой и нагрев её до 500 °С.

Для получения приемлемых значений коэффициента формы К_Ф низкоомных резисторов, принимаем сопротивление квадрата резистивной пленки ρ_S=100 Ом. Такое удельное поверхностное сопротивление обеспечивает материал: Хром ЭРХ ЧСТУ 5-30-70, который также идеально подходит для адгезии керметного слоя с проводниковым в качестве промежуточного слоя.

Таблица 3.3 - Электрофизические характеристики материалов для пленочных резисторов.

Материал	Сопротивление квадрата резистивной пленки, Ом/□	Допустимая удельная мощность рассеяния Вт/мм2	ТКС*10-4 1/град (в интервале Т0 -600С…+1250С)
Хром ЭРХ ЧСТУ 5-30-70	100	0,01	1,8 - 2
Кермет К-50С ЕТО. 021. 033 ТУ	2000	0,02	-5…+3

2.2 Проводниковые материалы

Электрические соединения элементов и компонентов осуществляется с помощью системы пленочных проводников, контактных проводников с пленочными элементами МС и контактных площадок под навесные компоненты и внешние выводы.

Электрофизические свойства проводников и контактных площадок в значительной степени определяют свойства применяемых материалов, к которым предъявляется ряд требований [5]:

· низкое удельное сопротивление (ρ_s < 0.1 Ом/□);

· хорошая адгезия к диэлектрической подложке, к резистивным материалам;

· высокая антикоррозионная стойкость;

· обеспечение высокого качества микроконтактирования проводников, выводов навесных компонентов и др.; возможность присоединения

(пайки или сварки) выводов навесных компонентов и проволочных перемычек;

· совместимость технологии нанесения проводников и контактных площадок с технологией изготовления других элементов МС.

Выбор проводниковых материалов, которые представляют собой многослойные структуры (в данном случае 3 слоя) обусловлен уже выбранной хром-керметной технологией для выбранного материала резистивного слоя.

Поскольку не один из материалов не удовлетворяет всем перечисленным требованиям, то используют многослойную структуру в данном случае состоящую из трех слоев:

1) нижний подслой хрома Хром ЭРХ ЧСТУ 5-30-76 с ρ_S=100 Ом/□ для адгезии между резистивным керметным слоем и проводниковым слоем;

) средний слой алюминия А99 ГОСТ 618-72 в качестве проводникового слоя;

3) верхний защитный слой никеля НП2 ГОСТ 2170-73.

2.3 Материал подложки

Подложки служат диэлектрическим и механическим основанием для пленочных и навесных элементов, а также используются для отвода тепла. Материал подложки должен удовлетворять требованиям [6]:

- атомарно-гладкая поверхность, минимальная шероховатость и микронеровности;

- минимальная пористость;

- высокие изоляционные свойства;

- высокие диэлектрические свойства и малые потери (ε → мах, tgδ → min);

- высокая теплопроводность;

- температурный коэффициент расширения согласованный с наносимыми пленками;

- высокая стойкость к термоударам;

- высокая адгезия к наносимым пленкам;

- минимальное давление насыщенных паров в вакууме;

- химическая инертность к напыляемому материалу;

- химическая инертность к реактивам, растворам в процессе обработки;

- механическая прочность;

- малые коробления и неплоскостность, отсутствие волнистости поверхности;

- высокая технологичность при обработке;

- уменьшение стоимости и дефицитности материалов подложки.

Кроме того, в зависимости от назначения гибридных МС к подложкам предъявляется еще ряд дополнительных требований. Данная проектируемая ГИС работает на низкой частоте (НЧ) и не выделяет большой мощности, а изготовляется при помощи тонкопленочной технологии (ТНП).

Из числа материалов, максимально удовлетворяющих этим требованиям, выбираем Ситалл Ст50-1 ТХО.735.062 ТУ, его характеристики сведены в таблицу 2.1.

Ситалл достаточно легко поддается обработке: его можно прессовать, вытягивать, прокатывать и отливать центробежным способом. Кроме того, выбор обусловлен работой схемы на НЧ (исключаются высокочастотные поликор ВК-100, ситалл Ст38-1 и Ст32-1), тонкопленочной технологией (исключает керамику ВК94-1, ВК96-1 и ВБ-100), маломощностью схемы, высокой теплопроводностью среди ситаллов. Ситаллы также имеют преимущества перед стеклами: они хорошо обрабатываются, выдерживают резкие перепады температуры, обладают высоким электрическим сопротивлением, а по механической прочности в 2-3 раза прочнее стекла, имеют более низкие диэлектрические потери.

Таблица 2.1 - Характеристика выбранного материала Ситалл Ст50-1 ТХО.735.062 ТУ

Параметр	Значение
Диэлектрическая проницаемость при Т=20°С и f=1МГц	8.2 - 9
Тангенс угла диэлектрических потерь при Т=20°С и f=1МГц	(12-20)*10-4
Теплопроводность, Вт/(м*°С)	1.45
Удельное объемное сопротивление, Ом*см3	1013 - 1014
Электрическая прочность, кВ/мм	более 40
Класс шероховатости	13 - 14
Температура размягчения,°С	1150
Пористость, %	0

3. Расчет конструкции платы

Расчет геометрических размеров плёночных резисторов

Как было отмечено в п. 2.1, если отношение номинальных значений резисторов в схеме , как в данном случае, то целесообразно изготавливать резисторы из различных материалов. Для этого была проведена разбивка всех резисторов на 2 группы номинальных значений одного порядка.

Данные низкоомных резисторов приведены в таблице 3.1, а высокоомных - в таблице 3.2.

Таблица 3.1 - Исходные данные для расчета геометрических размеров для низкоомных резисторов.

Позиционное обозначение	Rном, Ом	R, %	Рзад, мВт	Tmax-Tmin	Δb	Δl
R1	180	20	2	100	0,01	0,01
R3	180	20	2	100	0,01	0,01
R6	390	20	2	100	0,01	0,01

Таблица 3.2 - Исходные данные для расчета геометрических размеров для высокоомных резисторов.

Позицион. обозначение	R, Ом	ΔR, %	Рзад, мВт	Tmax-Tmin	Δb	Δl
R2	4300	20	2	100	0,01	0,01
R4	7500	20	5	100	0,01	0,01
R5	1000	20	5	100	0,01	0,01
R7	4300	20	2	100	0,01	0,01

Был выбран материал резистивной пленки в зависимости от значения удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки (отдельно по каждой группе).

Для низкоомных резисторов - Хром ЭРХ ЧСТУ 5-30-70.

Для высокоомных резисторов - Кермет К-50С ЕТО. 0.21. 033 ТУ.

Определим погрешность коэффициента формы резисторов [4]:

(3.1)

где: - предельное отклонение от номинального значения резистора;

- погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки;

- температурная погрешность;

- погрешность обусловленная старением пленки;

- погрешность переходных сопротивлений контактов.

Значение зависит от условий напыления и материала резистивной пленки и не превышает 5%.

Температурная погрешность зависит от ТКС материала пленки:

(3.2)

где: - Температурный коэффициент сопротивления материала пленки, 1/С⁰;

- рабочий диапазон температур, С⁰.

Погрешность, обусловленная старением пленки , вызвана медленным изменением структуры пленки во время ее окисления. Она зависит от материала пленки и эффективности защиты.

Погрешность переходных сопротивлений контактов зависит от технологических условий напыления, удельного сопротивления резистивной пленки и геометрических размеров контактного перехода. Обычно =1…3%.

Конфигурация резистора определяется его функциональным назначением, номинальным значением, удельным сопротивлением резистивной пленки, точностью, предъявляемой к его изготовлению, площадь на плате, отведенной под резистор, и технологическим процессом изготовления.

Основным параметром пленочных резисторов является коэффициент формы:

(3.3)

где: l - длина резистора, мм;- ширина резистора, мм.

При конструируется резистор прямоугольной формы; при конструируется резистор прямоугольной формы, но длинна его должна быть меньше ширины.

Выводы резисторов следует располагать в одном слое, чтобы их изготовление производилось с помощью одной маски или одного фотошаблона для исключения погрешности, которая может быть вызвана ошибками совмещения масок или фотошаблонов.

Конструктивный расчет резисторов прямоугольной формы сводится к определению его длинны l и ширины b. При этом необходимо, чтобы полученный резистор при заданном значении сопротивления обеспечивал рассеяние заданной мощности Р_рас при удовлетворении требуемой точности в условиях существующих технологических возможностей.

Рассмотрим методику расчета резисторов прямоугольной формы К_ф>1. Такие резисторы критичны к ширине, поэтому начинается с определения ширины b. Расчетное значение ширины резистора b_расч должно быть не меньше наибольшего значения одного из трех величин:

(3.4)

где: b_техн - минимальная ширина резистора, определяемая возможностями технологического процесса (для заданной тонкопленочной технологии _техн = 0,2 мм);_точн - ширина резистора, определяемая точностью изготовления, мм.

(3.5)

_р - минимальная ширина резистора, при которой обеспечивается заданная рассеваемая мощность, мм:

(3.6)

За ширину резистора b принимается ближайшее к b_расч большее целое значение, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии.

Расчетное значение длинны резистора l_расч определяется по формуле:

(3.7)

За длину резистора l принимается ближайшее к l_расч большее целое значение, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии.

Рассмотрим методику расчета резисторов прямоугольной формы с К_ф<1. Такие резисторы критичны к длине, поэтому начинается с определения ширины l. Расчетное значение длина резистора l_расч должно быть не меньше наибольшего значения одного из трех величин:

(3.8)

где: l_техн - минимальная длина резистора, определяемая возможностями технологического процесса (для заданной фотолитографии l_техн = 0,2 мм);_точн - длина резистора, определяемая точностью изготовления, мм:

(3.9)

р - минимальная длина резистора, при которой обеспечивается заданная рассеваемая мощность, мм:

(3.10)

(3.11)

где: Р_0доп - удельная мощность, которую может рассеять единица площади выбранного материала.

На практике значение l_р при К_Ф<1 обычно менее l_техн и l_точн. В этих случаях в качестве длины резистора выбирается максимальное из двух значений.

Рассмотрим методика выбора формы стыковки и размера перекрытия резисторов. Величина перекрытия резисторов с проводниками должна учитывать переходное контактное сопротивление пары «резистор - проводник» и допуск на совмещение слоев:

(3.12)

где: l_RK - допустимое значение перекрытия в зависимости от удельного поверхностного сопротивления материала;_ - допуск на несовмещение слоев, для фотолитографии l_ = 0,1 мм.

При сопротивлении квадрата резистивной пленки, Ом/□ 50-200 (для хрома) l_RK = 0,5 - 0,4 мм.

При сопротивлении квадрата резистивной пленки, Ом/□ более 500 (для кермета) l_RK = 0,2 - 0,1 мм.

Расчет коэффициента формы низкоомных резисторов

Низкоомные резисторы R1, R3, R6.

Исходные данные для расчета геометрических размеров низкоомных резисторов приведено в табл. 3.1.

По формуле (3.1) определим погрешность формы. Для этого определим все элементы этой формулы:

= 0,2 - предельное отклонение от номинального значения резистора;

= 0,02 - погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки;

- температурная погрешность;

= 0,0002

= 0,0002*100 = 0,02

= 0,01 - погрешность обусловленная старением пленки;

= 0,01 - погрешность переходных сопротивлений контактов.

0,2 - 0,01 - 0,013 - 0,02 - 0,02 = 0,137

Определим основной параметр пленочных резисторов по формуле (3.3) К_Ф:

Расчет коэффициента формы высокоомных резисторов

Высокоомные резисторы R2, R4, R5, R7.

Исходные данные для расчета геометрических размеров для высокоомных резисторов приведены в таблице 3.2.

Погрешность формы

= 0,2 - предельное отклонение от номинального значения резистора;

= 0,02 - погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки;

- температурная погрешность;

=0,0002

= 0,0001*100=0,02

= 0,002 - погрешность обусловленная старением пленки;

= 0,02 - погрешность переходных сопротивлений контактов.

0,2 - 0,01 - 0 - 0,003 - 0,02 = 0,14

Определим К_Ф:

3.1.3 Расчет геометрических размеров резисторов с К_ф<1

Из соотношения (3.8) выбираем максимальное значение длины резистора

где: l_техн = 0,2 мм;_точн определяем по формуле (3.9)

мм_р определяем по формуле (3.10)

мм

,2 l_рR1=0,42 мм

На основании расчетов и шага коорд. сетки выбираем длину резистора_расчR5 = 0,4 мм;

На основании расчетов и шага коорд. сетки выбираем ширину резисторов._расчR5 = 0,8 мм;

Расчет геометрических размеров резисторов с К_Ф>1

Из соотношения (3.4) выберем максимальный размер ширины резистора.

где: b_техн = 0,2 мм;_точн определим по формуле (3.5):

мм

b_р определим по формуле (3.6)

мм 1,2* b_рR1 = 0,4 мм

мм; 1,2* b_рR3 = 0,4 мм

мм 1,2* b_рR6 = 0,027 мм

мм 1,2*b_pR₂=0,25 мм

мм 1,2*b_pR₄=0,39 мм

мм 1,2*b_pR₇=0,25 мм

На основании расчетов и шага коорд. сетки выбираем ширину резисторов_расR1 = 0,4 мм;_расчR2 = 0,2 мм;_расчR3=0,4 мм;

b_расч_R₄=0,3 мм

b_расч_R₆=0,2 мм

b_расч_R₇=0,2 мм

Расчетное значение длины резистора l_расч определяется по формуле (3.11):

l_расч_R₁=0,4·1,8=0,7 мм

l_расч_R₂=0,2·2,15=0,45 мм

l_расч_R₃=0,4·1,8=0,7 мм

l_расч_R₄=0,3·3,75=1,1 мм

l_расч_R₆=0,2·3,9=0,8 мм

l_расч_R₇=0,2·2,15=0,45 мм

Величина перекрытия резисторов R2, R4, R5, R7:

мм

где:_ = 0,1 мм. Для кермета l_RK = 0,2 мм.

Величина перекрытия резисторов R1, R3, R6:

мм.

где:_ = 0,3 мм. Для хрома l_RK = 0,3 мм.

Параметры для расчета геометрических размеров пленочных резисторов показаны в таблице 3.4.

Результаты расчета геометрических размеров пленочных резисторов сведены в таблице 3.5.

Таблица 3.4 - Параметры для расчета геометрических размеров пленочных резисторов

Группа	ТКС, αRT, 1/град	Рд, Вт/см2	Δl, Δb, мм	lΔ, мм	lтехн, мм	bтехн, мм	γКФ	γR	γΡS	γRT	γRCТ	γRK	ΔT, C˚	Шаг коорд. сетки, мм
Хром	0,00019	5	0,01	0,1	0,2	0,2	0,137	0,2	0,05	0,035	0,02	0,03	185	0,05
Кермет	0	2					0,14			0	0,005

Таблица 3.5 - Результаты расчета геометрических размеров пленочных резисторов

Группа	ρs, Ом/v	Поз. об.	Номинал, Ом	Рзад., мВт	Кф	bточн, мм	1,2bp, мм	bрасч, мм	1,2lp, мм	lрасч, мм	lпер, мм	lR, мм	SR, мм2	åSR, мм2
Хром	100	R1	180	2	1,8	0,113	0,4	0,4	-	0,7	0,6	1,9	0,28	1,3
		R3	180	2	1,8	0,113	0,4	0,4	-	0,7		1,9	0,28
		R6	390	2	3,9	0,091	0,132	0,2	-	0,8		2	0,16
Кермет	2000	R2	4300	2	2,15	0,104	0,124	0,2	-	0,45	0,3	1,05	0,09
		R4	7500	5	3,75	0,09	0,309	0,3	-	1,1		1,75	0,33
		R5	1000	5	0,5	-	-	0,2	0,39	0,5		-	0,025
		R7	4300	2	2,15	0,124	0,124	0,2	-	0,45		1,05	0,135

3.2 Конструкторско-технологические требования к навесным компонентам

Кроме пленочных резисторов заданная схема имеет навесные компоненты. Их выбор для конкретной микросхемы ведут исходя из схемотехнических, конструктивно-технологических и других требований, которые предъявляются к параметрам, габаритам и методам сборки разрабатываемой конструкции.

Установку, способы крепления и методы присоединения навесных компонентов в микросхеме регламентирует ОСТ4.Г0.010.043.

Воспользуйтесь поиском по сайту: