Конструирование и технология микросхем

учебное пособие для вузов

Конструирование и технологиямикросхемКурсовое проектирование

Под редакцией д-ра техн. наук, проф. J1. А. Коледова

Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебного пособиядля студентов вузов, обучающихся по специальностям «Конструирование и производство радиоаппаратуры» и «Конструирование и производство электронно-вычислительной аппаратуры»

Москва «Высшая школа» 1984

ББК 32.844 К 65

УДК 621.38

Л. А. Коледов, В. А. Волков, Н. И. Докучаев, Э. М. Ильина, Н. И. Патрик

Р е ц е н з е н т ы :кафедра «Технология производства радиоэлектронной аппаратуры»

Московского авиационного института (зав. кафедрой — проф. Б. Ф. Высоцкий); проф. М. Ф. Пономарев (Таганрогский

радиотехнический институт)

Конструирование и технология микросхем. Курсовое К65 проектирование: Учеб. пособие д ля вузов по спец. «Кон­

струирование и производство радиоаппаратуры» и «Кон­струирование и производство электронно-вычислитель­ной аппаратуры» /К оледов JI. А., Волков В. А., Д окуча­ев Н. И. и др.; Под ред. JI. А. Коледова. — М ’: Высш. шк., 1984. 231 с., ил.

В книге приведены данные об элементах и компонентах, материалах и технологии производства, конструктивно-технологических ограничениях и пра­вилах разработки топологии интегральных микросхем; рассмотрены методы обеспечения их надеж ности, влагостойкости, тепловых режимов и др.

В пер.: 70 к.

ББК 32.844 6Ф0.3

© И здательство «Высшая школа», 1984

П Р Е Д И С Л О В И Е

В соответствии с Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1981 — 1985 годы и на период до 1990 года на одиннадцатую пятилетку и последующие годы наме­чено сохранить высокие темпы развития микроэлектроники, как наи­более прогрессивного направления электронной техники, которое б у д е т 'Принимать на себя решение новых, все более сложных и р аз ­нообразных задач. Успехи микроэлектроники оказывают революци­онизирующее воздействие на многие отрасли народного хозяйства: приборостроение, радиоаппаратостроение, машиностроение, авто­мобильный и железнодорожный транспорт и др. Расширение о б ла­стей поименения микроэлектроники, ее использование в производ­ственных процессах, в сфере бытового обслуживания потребует но­вых разработок элементной базы микроэлектронной аппаратуры различного назначения. В этих условиях важнейшей задачей явл я­ется всемерное повышение качества подготовки специалистов в об­ласти микроэлектроники.

Д ан ная книга предназначена для студентов специальностей «Конструирование и производство радиоаппаратуры», «Конструи­рование и производство электронно-вычислительной аппаратуры». Она будет полезна такж е студентам смежных специальностей эле­ктронной и вычислительной техники, приборостроения и автомати­ки при изучении курсов по основам микроэлектроники.

Пособие содержит данные, необходимые для самостоятельного выполнения студентами курсового проекта по разработке топологии и конструкции одного из типов интегральных микросхем: полупро­водниковых (на биполярных или полевых транзисторах) и гибрид­ных (по тонкопленочной или толстопленочной технологии).

Д л я каждого типа ИМС в пособии имеются сведения о техно­логических процессах, технологических ограничениях (возможно­стях), свойствах и характеристиках используемых материалов, по­следовательности действия при разработке конструкции ИМ С и ме­тодах расчетов. Кроме того, оно снабжено методическими указани­ями о том, как использовать имеющиеся сведения, чтобы получить окончательный результат и проверить правильность разработки.

Ввиду ограниченности времени, отводимого на курсовое проек­тирование (40— 60 ч самостоятельной внеаудиторной работы), и сложности разработки пособие рассчитано на то, что проектируе­мыми объектами будут в основном микросхемы второй степени интеграции. Но принципы разработки конструкций ИМС более вы­соких степеней интеграции остаются теми же. Меняется лишь объ­ем вычислительных операций и появляется необходимость в исполь­

3

зовании машинных средств для поиска оптимальных вариантов конструкции.

Д ля экономии времени при выполнении курсового проекта и привития навыков работы с вычислительной техникой в учебном пособии приводятся алгоритмы и программы .расчетов некоторых элементов ИМ С на ЭВМ, а такж е сведения о возможностях суще­ствующей специализированной системы автоматизированного про-, ектирования ИМС.

Пособие состоит из трех частей. П ервая часть посвящена техно­логии и конструированию полупроводниковых интегральных м и к­росхем на биполярных и униполярных транзисторах. Во второй ча­сти рассматриваются вопросы конструирования гибридных пленоч­ных интегральных микросхем с использованием технологии тонких и толстых пленок. М атериал по технологии производства полупро­водниковых и гибридных ИМ С приводится лишь в объеме, требуе­мом для понимания и обоснования технологических ограничений при конструировании. В третьей части представлен материал, отно­сящийся к оформлению конструкций полупроводниковых и гибрид­ных микросхем, конструктивному обеспечению требований к инте­гральным микросхемам, оговоренных в технических условиях. Осо­бое внимание уделено расчетам и обеспечению теплового режима, защиты от климатических воздействий. Рассматриваются вопросы оформления технической документации на ИМС, приводятся при­меры ее оформления.

В основу пособия положен многолетний опыт проведения курсо­вого проектирования ИМ С на кафедре микроэлектроники Москов- ского института электронной техники.

Предисловие и введение написаны Л. А. Коледовым, глава 1 — Л. А. Коледовым и Н. И. Патриком, глава 2 — Н. И. Докучаевым, главы 3 и 4 — Л. А. Коледовым и Э. М. Ильиной, глава 5 — Л. А. Коледовым и В. А. Волковым, глава 6 — Э. М. Ильиной, П рилож е­н и я — Л. А. Коледовым, Э. М. Ильиной, Н. И. Патриком.

Авторы выражаю т искреннюю благодарность профессорам Б. Ф. Высоцкому , А. И. Коробову, М. Ф. Пономареву за ценные з а ­мечания и советы, высказанные ими при рецензировании рукописи пособия и способствовавшие улучшению его содержания. Они при­знательны председателю Научно-методического совета по техноло­гии, конструированию и производству радио- и электронно-вычис- лительной аппаратуры проф. В. Б. Пестрякову за постоянное внима­ние к изданию книги. Авторы благодарят также коллектив препо­давателей и сотрудников кафедры микроэлектроники МИЭТ за по­лезные советы и помощь при написании и подготовке данного посо­бия.

Все замечания и пожелания, которые могут возникнуть при изу­чении и практическом .использовании данного пособия, просим н а­правлять по адресу: 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., д. 29/14, издательство «Высшая школа».

Авторы

В В Е Д Е Н И Е

И н т е г р а л ь н а я м и к р о с х е м а (ИМС) — это конструк­тивно законченное изделие электронной техники, выполняющее оп­ределенную функцию преобразования информации и содержащее совокупность электрически связанных между собой электрорадио- элементов (Э РЭ ), изготовленных в едином технологическом цикле.

Термин «интегральная микросхема» отражает: объединение значительного числа транзистороз, диодоз, конденсаторов, резисторов и соединяющих проводни­ков в единую конструкцию (конструктивная интеграция); выполнение схемой функций преобразования информации, более сложных по сравнению с функциями отдельных ЭРЭ (схемотехническая интеграция); выполнение в едином технологи­ческом цикле одновременно всех ЭРЭ схемы и межсоединений и одновременное формирование группозым методом большого числа одинаковых ИМС (техноло* гическая интеграция).

По способу изготовления различают полупроводниковые и п ле­ночные ИМС. В полупроводниковых ИМС все ЭРЭ и часть межсое­динений сформированы в приповерхностном слое полупроводнико­вой (обычно кремниевой) подложки. В пленочных ИМС пассивные Э РЭ изготовлены в виде совокупности тонких (менее 1 мкм) или толстых (10— 50 мкм) пленок, нанесенных на диэлектрическую под­ложку. Гибридные ИМС (ГИС) представляют собой комбинацию пленочных пассивных ЭРЭ с миниатюрными бескорпусными дис­кретными активными приборами (полупроводниковыми ИМС, тран­зисторами, диодами), расположенных на общей диэлектрической подложке. ЭРЭ, которые являются неотъемлемой составной частью ИМС и не могут быть выделены из нее как самостоятельное изде­лие, называют элементами ИМС, а дискретные активные ЭРЭ ГИ С — навесными компонентами (или просто компонентами), под­черкивая тем самым, что их изготовляют отдельно в виде самостоя­тельных приборов, которые могут быть приобретены изготовителем ГИС как покупные изделия. В отличие от дискретных компонентов элементы ИМС называют интегральными (интегральный резистор, интегральный диод).

В совмещенных ИМС активные ЭРЭ выполнены в приповерхно­стном слое полупроводникового кристалла (как у полупроводнико­вой И М С), а пассивные нанесены в виде пленок на покрытую ди­электриком поверхность того ж е кристалла (как у пленочной ИМ С).

Перечислим особенности ИМС как нового типа изделий элект­ронной техники:

а) ИМС самостоятельно выполняет законченную, часто доволь­но сложную функцию. Она может (быть усилителем, запоминающим устройством, генератором, детектором и т. д. Ни один из ЭРЭ са ­мостоятельно таких функций выполнять не может, для этого его следует соединить с другими дискретными ЭРЭ по отдельной схеме;

5

б) выпуск и применение ИМС сопровождаются существенным уменьшением массы, габаритов и стоимости радиоэлектронной ап­паратуры, снижением потребляемой мощности и повышением на­дежности;

в) элементы ИМС располагаются в пределах одной подложки «а сравнительно небольших расстояниях друг от друга и формиру­ются одновременно; это обусловливает малый технологический р а з ­брос их параметров. Особенно высока точность выполнения соот­ношения параметров нескольких элементов (например, отношения сопротивлений). Эта точность сохраняется при изменении темпера­туры окружающей среды, так как все элементы ИМ С работают практически при одной температуре и термические коэффициенты параметров элементов одной и той ж е ИМС приблизительно оди­наковы. Эту особенность ИМС часто используют при создании уст­ройств, мало чувствительных .к влиянию технологического разброса параметров элементов и к изменению температуры;

г) при разработке полупроводниковых ИМС стремятся выбрать схемные решения с минимальным числом пассивных элементов. Р е ­зисторы и конденсаторы занимают значительную площадь ИМС, технологические возможности создания этих элементов с достаточ­ной точностью в широком диапазоне номиналов ограничены.

Обозначения ИМС,. Каждый конструктивно-технологический вариант (груп­па) интегральных микросхем согласно ОСТ 11.073.915—80 имеет следующие обо­значения: 1, 5, 6, 7 — полупроводниковые, 2, 4, 8 — гибридные, 3 — пленочные и некоторые другие ИМС (например, вакуумные, керамические). По функциональ­ному назначению ИМС подразделяют на подгруппы (Г — генераторы, Д — детек­торы, К — коммутаторы и ключи, Л — логические элементы, М — модуляторы, Н — наборы элементов, П — преобразователи сигналов, Е — схемы источников вторичного питания, Б — схемы задержки, С — схемы сравнения, Т — триггеры, У — усилители, Ф — фильтры, А — формирователи импульсов, Р — схемы запоми­нающих устройств, И — схемы цифровых устройств, В — схемы вычислительных средств, Ц — фоточувствительные схемы с зарядовой связью, X — многофункци­ональные схемы). В пределах каждой подгруппы ИМС подразделяют на виды, каждому виду присвоена определенная буква; таким образом , сочетание двух букз в обозначении ИМС характеризует ее вид и подгруппу (например, ГС — ге­нераторы гармонических сигналов, ЛИ — логические элементы, И, ИР — наборы резисторов, УВ — усилители высокой частоты, ВМ — микропроцессоры, BE — микро-ЭВМ, ВУ — схемы микропрограммного управления, ВТ — микрокалькуля­торы и др.).

Обозначение интегральной микросхемы состоит из следующих элементов: первый элемент—-цифра, означающая группу, второй элемент — три цифры (отООО до 999) или две цифры (от 00 до 99), означающие порядковый номер раз­работки серии ИМС, третий элемент — две буквы, означающие подгруппу и вид ИМС, четвертый элемент — условный номер разработки ИМС по функционально­му признаку в данной серии. Интегральные микросхемы выпускаются в состазе серии, т. е. в совокупности нескольких видов ИМС, имеющих единое конструк­тивно-технологическое исполнение и предназначенных для совместного примене­ния в аппаратуре. Д ва первых элемента обозначения ИМС относятся к обозна­чению серии (т. е. оно содержит от трех до четырех цифр). Например, ИМС синхронизации микропроцессорного комплекта серии 1800 с порядковым номером 2 ее разработки в данной серии (по функциональному признаку) имеет обозна­чение 1800ВБ2, ИМС логического элемента И — НЕ, открывающего перечень схем широко распространенной серии 133, — обозначение 133ЛА1.

При необходимости разработчик ИМС имеет право в конце условного обо­значения дополнительно указывать буквы (от А до Я, кроме букв 3, М, О, Т, Ш,

6

П, Ч, Ы, Ъ ), характеризующие отличие ИМС одного вида по электрическим характеристикам. При маркировке эта буква может быть заменена цветной точкой.

Д ля ИМС, используемых в устройствах широкого применения, в начале обо* значения добавляют букзу К: К1800ВБ1, К133ЛА1.

Д ля бескорпусных ИМС з состав обозначения вводят дополнительно два элемента: букву Б в начале обозначения и цифру (от 1 до 6) — в конце. Цифра характеризует конструктивное исполнение бескорпусных ИМС: 1 — с гибкими вы­водами; 2 — с ленточными (паучковыми) выводами и выводами, выполненными на диэлектрической (в том числе полиимидной) пленке; 3 — с жесткими (шари­ковыми или столбиковыми) выводами; 4 — на общей подложке или пластине, не разделенные друг от друга; 5 — то же, что и 4, но разделенные без потери ориентации (например, наклеенные на пленке); 6 — кристаллы с контактными площадками без выводов. Например, Б106ЛБ1А-1 — полупроводниковая ИМС се­рии Б106-1 (логический элемент И — Н Е/И Л И — НЕ) в бескорпусном исполне- нии с гибкими выводами.

При перезоде серии микросхем для исполнения в более дешевом пластмас­совом корпусе в начале обозначения ставят букву Р. Например, при переводе микросхем серии 140 в металлостеклянном корпусе на пластмассовый корпус 201.14-1 серию стали обозначать Р140. ИМС операционного усилителя, входящ е­го в эту серию, имеет обозначение Р140УД1А.

Д ля обозначения ИМС повышенного качества перед цифровым обозначени­ем серии указывают буквы ОС (а при их малом выпуске — буквы ОСМ).

Д ля микросхем, поставляемых на экспорт (шаг выводов 1,27 или 2,54 мм), в начале обозначения добавляют букву Э. Например, полупроводниковая логи­ческая ИМС серии К1500 (логический элемент И — НЕ) в экспортном исполне­нии имеет обозначение ЭК1500ЛА1.

Цель, задачи и методика выполнения курсового проекта. З а д а ­чей выполнения курсового проекта (КП) является разработка кон­струкции ИМС и технологического маршрута ее производства в со­ответствии с заданной в техническом задании (ТЗ) принципиаль­ной электрической схемой. Конструктивно-технологический вариант изготовления ИМС выбирается студентом в результате анализа за ­дания на КП или задается руководителем проекта.

Целью работы над курсовым проектам является приобретение практических навыков решения инженерной задачи создания кон­кретного микроэлектронного изделия, а такж е закрепление, углуб­ление и обобщение теоретических знаний, приобретенных на преды­дущих этапах обучения в вузе.

Основные этапы выполнения курсового проекта:этап I — анализ технического задания с целью выявления сути,

оценки объема и плана предстоящей работы;этап II — выбор технологии изготовления ИМС исходя из ан а­

лиза технического задания (функции, выполняемой ИМС, масш та­бов производства, условий эксплуатации). Особое внимание при этом необходимо обратить на технологические ограничения, что об­легчит последующую работу по конструированию элементов ИМС, выбору .компонентов и разработке конструкции ИМ С в целом;

этап III — расчет элементов и выбор компонентов ИМС соглас­но принципиальной электрической схеме с учетом технологических ограничений;

этап IV — разработка топологии и выбор корпуса ИМС. Р а з ­работку эскиза топологии ИМС и последующих вариантов тополо­гии проводят согласно правилам проектирования, изложенным в

ГЛ- i — 4 дЛЯ различных конструктивно-технологических типов ИМС. Выбор корпуса ИМС производят из числа унифицированных конструкций (см. гл. 5) по следующим исходным данным: размеру кристалла полупроводниковой ИМС или платы ГИС и числу внеш­них выводов ИМС (числу контактных площадок внешних выво­дов на топологии И М С ); герметичности корпуса и условиям экс­плуатации (последние данные указываются в Т З) . Площ адь и р а з ­меры монтажной площадки должны соответствовать размерам кристалла или платы либо несколько превосходить их, число выводов корпуса и их рядность такж е должны соответствовать то­пологии ИМС;

этап V — проверка качества разработки топологии и конструк­ции ИМС. Методика проверки правильности разработки топологии ИМС различных типов приведена в гл. 1—4. Дополнительно для оценки качества разработки проводят расчеты 'паразитных связей и параметров, тепловой расчет, расчет влагозащиты (см. гл. 5);

этап VI — корректировка или переработка топологии либо кон­струкции ИМС. Поправки в топологию и конструкцию вводят, если проверка качества и проверочные расчеты дают на это основания;

этап VII — оформление расчетно-пояснительной записки. Она должна содержать обоснование выбранного конструкторского и технологического решения в виде сравнительной оценки этого реше­ния с другими возможными вариантами, показ преимуществ при­нятого инженерного решения с точки зрения эффективности про­изводства, качества и стоимости. Пояснительная записка должна выполняться на листах писчей или линованной бумаги формата 11, необходимые иллюстрации и чертежи должны .быть выполнены на миллиметровой бумаге формата 11 или большего формата.

Объем пояснительной записки без учета чертежей и графиков должен составлять примерно 30—40 страниц рукописного текста. Она должна содержать: титульный лист, оглавление, техническое задание, подписанное руководителем, описание принципа действия проектируемой ИМС, выбор и обоснование конструктивно-техноло­гического варианта производства ИМС, описание технологии со структурной схемой процесса, расчет конструктивных и электриче­ских параметров элементов ИМС, эскиз топологии ИМС на милли­метровой бумаге, проверочные расчеты и скорректированный при необходимости вариант топологии, исследовательскую часть (выда­ется по усмотрению руководителя проекта), выводы, список исполь­зованной литературы и ГОСТов, приложения (маршрутную или операционные карты технологического процесса);

этап VIII — оформление конструкторской документации на ИМС. Ее объем составляет 2—3 листа формата 24. Чертежи следу­ет выполнять в соответствии в Е С К Д карандашом или тушью. Они должны содержать как минимум следующую информацию: элект­рическую схему ИМС, топологический чертеж ИМС, сборочный чер­теж ИМС, структурную схему технологического процесса. Д ругая информация выносится на чертежи по указанию руководителя про­екта. На чертежах и пояснительной записке должна стоять лич­

ная подпись студента, удостоверяющая самостоятельность выпол­нения проекта и ответственность за принятые решения;

этап IX — подготовка в защите курсового проекта. На этом эта­пе проводится работа по составлению короткого (8— 10 мин) до­клада о наиболее существенных результатах курсового проектиро­вания, подготовке к обоснованию и защите принятых инженерных решений, подготовке ответов на возможные вопросы членов комис­сии по приемке КП.

Организация и руководство курсовым проектом. Курсовой про­ект по курсу «Конструирование и технология микросхем» выполня­ют с использованием одного из четырех наиболее распространен­ных вариантов конструктивно-технологического ^исполнения инте­гральных микросхем: полупроводникового на биполярных транзи­сторах, полупроводникового на М ДП-транзисторах, гибридного тон­копленочного и гибридного толстопленочного. В связи с этим техническое задание на проект должно содержать необходимое и достаточное количество сведений, опираясь на которые студент дол­жен самостоятельно обосновать и выбрать способ изготовления ИМС. Однако, учитывая раннее (за 2—3 года) распределение сту­дентов на места работы, заказную систему подготовки специалис­тов для того или иного предприятия или объединения, кафедры и руководители проектов могут уже в ТЗ определять технологию производства ИМ С с учетом специфики будущей работы молодого специалиста. Типовое ТЗ на разработку конструкции ИМ С должно содержать: электрическую схехму ИМ С с указанием номиналов и характеристик элементов и компонентов, кратким описанием реали­зуемой функции и необходимыми характеристиками входных и вы­ходных сигналов, а такж е назначение, серийность производства, условия эксплуатации ИМС и рекомендуемую литературу.

Разнообразие функционального назначения ИМС, вариантов их конструктивно-технологического исполнения позволяет выдать к а ж ­дому студенту индивидуальное задание на проект.

Задание на проект должно быть подписано руководителем, д а ­тировано и зарегистрировано в журнале учета К П кафедры.

Руководство курсовым проектированием начинается с выдачи ТЗ на проект. Индивидуальная беседа руководителя со студентом по заданию является необходимым условием успеха дальнейшей работы, так как позволяет выявить степень подготовленности сту­дента, отметить отдельные, наиболее ответственные этапы КП, уточнить график его выполнения.

Большое организующее значение на первых этапах курсового проектирования имеет вводная лекция по КП, прочитанная лекто­ром курса, в которой разъясняются роль этого вида учебной рабо­ты для подготовки специалиста, уровень требований к занятиям, сущность выданных заданий и пути их реализации.

В процессе выполнения КП кафедра и руководитель проекта проводят групповые и индивидуальные консультации. К ак прави­ло, групповые консультации проводятся по расписанию и не должны переходить в лекции. На этих консультациях необходимо давать

9

конкретные указания по устранению встретившихся затруднений, проводить разбор решений типовых задач, встречающихся при вы­полнении КП, анализировать типовые ошибки, выполнять наиболее трудные расчеты. Индивидуальные консультации должны прово­диться регулярно 1—2 раза в неделю. Главная их цель — контроль за ходом и правильностью выполнения КП, выявление допущенных ошибок, помощь студенту в нахождении правильного пути решения вопроса.

Как групповые, так и индивидуальные консультации не должны превращаться в репетиторство, в натаскивание студента. Они дол­жны помогать развитию'самостоятельности в инженерной деятель­ности, навыков планомерной, продуманной, ответственной работы. В процессе консультирования руководитель не-должен давать сту­денту готовых решений, а лишь развивать его творческие способ­ности, умение анализировать варианты технических решений, осоз­навать допущенные ошибки и находить пути к их исправлению. Эту работу следует проводить, опираясь на конкретные материалы, рас­четы, эскизы, варианты технических решений, предъявляемые сту­дентом консультанту. Иными словами, руководитель должен стро­ить свою индивидуальную работу со студентом, исходя из его само­стоятельных проработок после того, как появилась уверенность, что студент достаточно хорошо ознакомился с материалом, понял его сущность.

После завершения работы руководитель тщательно проверяет проект и, если он удовлетворяет всем требованиям к КП, допуска­ет проект к защите, делая соответствующие надписи на чертежах и в записке с проставлением предварительной оценки.

Защ ита курсового проекта. Защ ита является особой формой проверки выполнения курсового проекта. Эта процедура должна приучить будущего инженера к публичной защите принятых им тех­нических решений.

Защ ита включает короткий доклад (8— 10'мин) студента по те­ме проекта перед назначаемой кафедрой комиссией преподавате­лей из двух-трех человек и ответы на вопросы, задаваемые чле­нами комиссии. Студент при защите должен дать объяснения по су­ществу проекта, проявить достаточный уровень теоретической под­готовки и умение применить ее при решении конкретной задачи.

Результаты защиты оцениваются отметкой по четырехбалльной системе. Студент, не выполнивший и не представивший КП в ус­тановленный срок или не защитивший его по неуважительной при­чине, считается имеющим академическую задолженность.

Курсовые проекты, содержащие оригинальные обоснованные ре­шения, новые теоретические, технологические и конструкторские проработки и предложения по практической их реализации, выдви­гаются на конкурс курсовых проектов, городские и республикан­ские смотры студенческих работ, а проекты, имеющие наибольшую научную и практическую ценность, — на всесоюзный конкурс науч­ных работ «Студент и научно-технический прогресс».

Часть I

КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫ Х ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Глава 1

КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИМСНА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

§ 1.1. Элементы полупроводниковых ИМСна биполярных транзисторах

Транзисторы типа п-р-п. Биполярный транзистор типа п-р-п яв­ляется основным схемным элементом полупроводниковых ИМС. Он обладает лучшими характеристиками, чем транзистор типа р-п-р, а технология его изготовления более проста. Остальные элементы ИМ С выбирают и конструируют таким образом, чтобы они совмеща­лись со структурой транзистора типа п-р-п. Их изготовляют одно­временно с транзистором типа п-р-п на основе какой-либо из его об­ластей. Таким образом, выбор физической структуры транзистора типа п-р-п определяет основные электрические параметры осталь­ных элементов микросхемы.

Наиболее широкое распространение получила транзисторная структура типа п+-р-п со скрытым подколлекторным д+-слоем (рис. 1.1). Следует обратить внимание на то, что вывод коллектора интегрального транзистора распо­

ложен на поверхности прибора. Это увеличивает сопротивление тела коллектора и ухудшает характе­ристики транзистора в усилитель­ном режиме (ухудшается частот­ная храктеристика) и в переклю­чающем режиме (уменьшается эффективность переключения в режиме насыщения). Увеличение степени легирования всего объема коллекторной области и уменьше­ние ее удельного сопротивления снижают пробивное напряжение перехода коллектор — база и увеличивают емкость этого перехода, т. е. такж е ухудшают х а ­рактеристики транзистора. Компромиссным решением проблемы является создание скрытого высоколегированного я+-слоя на гра­нице коллектора и подложки. Этот слой обеспечивает низкоомный

Рис. 1.1. Конструкция интегрального транзистора типа п+-р-п

I I

путь току от активной коллекторной зоны к коллекторному кон­такту без с н и ж е н и я пробивного напряжения перехода коллектор — база. Конструктивно он располагается непосредственно под всей б а­зовой областью и простирается вплоть до дальней от базы стороны коллекторного контакта. Толщина слоя составляет 2,5— 10 мкм, удельное поверхностное сопротивление ps = 1 0 4 -3 0 О м/П .

Рабочая зона транзистора начинается непосредственно под эмит- терной зоной, и для обеспечения требуемого коллекторного тока при минимальном последовательном падении напряжения коллек­торный контакт располагают как можно ближе к эмиттерному. М и­нимальные горизонтальные размеры прибора определяются двумя

Рис. 1.2. Конструкция биполярных интегральных транзисторов: а — асимметричная; б — симметричная

основными технологическими факторами: минимально достижимы­ми при фотолитографии размерами окон в окисле кремния и зазо ­ров между окнами, а такж е размером боковой диффузии под оки­сел. Поэтому при проектировании транзистора следует учитывать, что расстояние между базовой областью и коллекторным контак­том должно быть значительно больше суммы размеров боковой диффузии р-базы и гс+-области под коллекторным контактом. Н а ­значение этой /г+-области состоит в обеспечении надежного форми­рования невыпрямляющего контакта алюминия к слаболегирован­ной «-области коллектора, поскольку алюминий является акцептор­ной примесью в кремнии с растворимостью порядка 1018 атомов/см3 при температуре формирования контакта. Уровень ж е легиро­вания эпитаксиального «-слоя, составляющего тело коллектора, р а ­вен 1015— 1056 атомов/см3. К ак отмечалось, он.диктуется необходи­мостью увеличения напряжения пробоя перехода коллектор — база.

Расстояния между изолирующей р-областью и элементами тран­зистора определяются такж е размером боковой диффузии. Они должны быть примерно равны толщине эпитаксиального слоя.

Д ве типичные конструкции интегральных транзисторов показа­ны на рис. 1.2. Д ля асимметричной конструкции (рис. 1.1, 1.2, а).12

характерно то, что коллекторный ток протекает к эмиттеру только в одном направлении. При симметричной конструкции (рис. 1.2, б) коллекторный ток подходит к эмиттеру с трех сторон и сопротивле­ние коллектора оказывается примерно втрое меньше, чем при асим­метричной конструкции. Д ля симметричной конструкции транзи­стора облегчается разработка топологии металлической разводки, так как в ней часть .коллекторной области можно разместить под окислом, а поверх окисла над коллектором провести алюминиевую полоску к эмиттерной (рис. 1.2, б) или базовой области. Н а рис. 1.2, а даны топологические размеры областей интегрального бипо­лярного транзистора, типичные для ИМС средней степени интегра­ции. П араметры этих областей приведены в табл. 1.1.

Т а б л и ц а 1.1 Параметры областей интегрального транзистора типа п - р - п

Наименование областиКонцентрация

примеси /V, см- 3

Толщина слоя d , мкм

Удельное объемное

сопротивление материала р,

Ом-см

Удельное поверхностное сопротивление

слоя р5 , Om/D

Подложка р-типа 1 ,5 -1015 200— 400 10Скрытый П+-СЛОЙ — 2,5— 10 — 10—30Коллекторная /г-область 1016 2,5— 10 0 СЛ 1 СЛ о —Базовая р-область 5 -1 0 18 1,5— 2,5 — 100—300Эмиттерная п+-область 1021 0,5— 2,0 — , 2— 15Изолирующая область — 3,5— 12 — 6 — 10Пленка окисла кремния — 0,3— 0,6 — —Металлическая пленка

(алюминий)0 ,6— 1,0 1,7- 10-в 0,06— 0,1

П р и м е ч а н и е : .V — объемная концентрация примеси для подложки и коллекторной области и поверхностная концентрация примеси для эмиттерной и базовой областей.

При больших токах существенную роль играет эффект вытесне­ния тока эмиттера, который объясняется достаточно 'просто. Н апря­жение в любой точке эмиттерного перехода представляет собой р а з ­ность внешнего напряжения и падения напряжения в объеме базы, т. е. напряжение в центральной части эмиттера меньше напряж е­ния у его краев, и внешние области эмиттера 'работают при боль­ших плотностях тока по сравнению с внутренними. Повышенная плотность тока у краев эмиттера приводит к повышенным рекомби­национным потерям носителей заряда в этих областях и к уменьше­нию коэффициента усиления транзистора В. .Конструкция мощных транзисторов долж на обеспечивать максимальное отношение пери­метра эмиттера к его площади. Например, целесообразно исполь­зовать узкие эмиттеры с большим периметром (рис. 1.3). П арам ет­ры интегральных транзисторов типа п-р-п приведены в табл. 1.2.

13

Рассмотрим разновидности интегральных биполярных транзи­сторов. „ „

Т р а н з и с т о р ы с т о н к о й б а з о й . 1ранзисторы с тонкойбазой обладаю т повышенными значениями коэффициента усиления В и необходимы для создания ряда аналоговых ИМ С (входные к а ­скады операционных усилителей). У этих транзисторов ширина ба-

Рис. 1.3. Конструкция мощного Рис. 1.4. Конструкция много-транзистора (вид сверху): эмиттерного транзистора

1 — эмиттерная область; 2 — область базы; 3 — область изоляции; 4 — кол­

лекторная область

Т а б л и ц а 1.2 Параметры интегральных транзисторов типа п - р - п

Параметры Номинал Допуск S, %Температурныйкоэффициент,

1/°С

Коэффициент усиления В 100— 200 ± 3 0 5-10- 3Предельная частота /т , МГц 200—500 ± 2 0Пробивное напряжение UKб, В 40—50 ± 3 0Пробивное напряжение Uaб, В 7— 8 ± 5 (2—б ) - 10-*

зы (расстояние между эмиттерными и коллекторными переходами) да = 0,2н-0,3 мкм, коэффициент усиления 5 = 2000-^-5000 при коллек­торном токе / к = 20 мкА и уровне напряжения (Укэ = 0,5 В. Пробив­ное напряжение коллектор — эмиттер около 1,5— 2 В.

М н о г о э м и т т е р н ы е т р а н з и с т о р ы (М Э Т ). Конструкция МЭТ, широко используемых в цифровых ИМС транзисторно-тран­зисторной логики, приведена на рис. 1.4. Число эмиттеров может быть равным 5— 8. МЭТ можно рассматривать как совокупность транзисторов с общими базами и коллекторами. При их конструи­ровании необходимо учитывать следующие обстоятельства.

Д л я подавления действия паразитных горизонтальных п+-р-п+- транзисторов расстояние между краями соседних эмиттеров долж ­но превышать диффузионную длину носителей заряда в базовом14

слое. Если структура легирована золотом, то диффузионная длина не превышает 2— 3 мкм и указанное расстояние достаточно сделать равным 10— 15 мкм.

Д л я уменьшения паразитных токов через эмиттеры при инве­рсном включении МЭТ искусственно увеличивают сопротивление пассивной области базы, удаляя базо­вый контакт от активной области тран­зистора, чтобы сопротивление перешей­ка, соединяющего базовый контакт с базовой областью, составило 200—300 Ом.

М н о г о к о л л е к т о р н ы е т р а н ­з и с т о р ы (MKT). МКТ — это прак- Рис- к5- Конструкция много-

, д „ г коллекторного транзисторатически М сН, используемыи в инверс-ном режиме: общим эмиттером явля­ется эпитаксиальный слой, а коллекторами — п+-области малых размеров (рис. 1.5). Т акая структура является основой ИМ С ин­тегральной инжекционной логики (И2Л ) . Главной проблемой при конструировании МКТ является обеспечение достаточно высокого коэффициента усиления в расчете на один коллектор, для чего скрытый гс+-слой необходимо располагать как можно ближе к ба­зовому слою, а п+-коллекторы — как можно ближе друг к другу.

Транзисторы типа р-п-р. Интегральные транзисторы типа р-п-р существенно уступают транзисторам типа п-р-п по коэффици­енту усиления и предельной частоте. Д л я их изготовления исполь­зуют стандартную технологию, оптимизированную для формирова­ния транзистора типа п+-р-п. Естественно, что получение транзисто­ров типа р-п-р с близкими к теоретическим пределам параметрами в этом случае невозможно.

Г о р и з о н т а л ь н ы е т р а н з и с т о р ы т и п а р-п-р. В на­стоящее время эти транзисторы используют в ИМ С наиболее часто (рис. 1.6). Их изготовляют одновременно с транзисторами типа п+-р-п по обычной технологий. Эмиттерный и коллекторный слои получают на этапе базовой диффузии, причем коллекторный слой охватывает эмиттер со всех сторон. Б азовая область формируется на основе эпитаксиального слоя с подлегированием контактной об­ласти во время эмиттерной диффузии. Перенос носителей заряда в транзисторе типа р-п-р происходит в горизонтальном направлении. Дырки, инжектированные из боковых частей эмиттера в базу, диф­фундируют к коллекторной области. Перенос наиболее эффективен в приповерхностной области, так как здесь расстояние w между коллектором и эмиттером минимально и, кроме того, наиболее вы­сокая концентрация примеси в p -слоях. Ширину базы w удается вы­полнить равной 3— 4 мкм (мешает боковая диффузия под маску), в результате чего коэффициент усиления оказывается равным 50, а /т —20ч-40 МГц. Без особого труда получают w = б-г-12 мкм, но при этом В = 1,5-4-20, а /т —2-^5 МГц. Д л я подавления действия па­разитных р-п-р-транзисторов (р—эмиттер, п —эпитаксиальный слой, р — подложка) стремятся уменьшить площ адь донной части эмит­

15

тера (его делают возможно более узким), используют скрытый пр­елой вдоль границы эпитаксиального слоя и подложки. Н а основе

горизонтального транзистора легко сформировать многоколлекторный транзистор типа р-п-р (рис. 1.7).

Рис. 1.6. Конструкция гори­зонтального транзистора

типа р-п-р

Рис. 1.7. Конструкция многоколлекторного го­ризонтального транзи­

стора типа р-п-р

базовый контакт

Основные недостатки горизонтального транзистора типа р-п-р — сравнительно большая ширина базы и однородность распределения примесей в ней (транзистор является бездрейфовым). Их можно

устранить двумя способами. Д ля этого используют дрейфовую структуру, пока­занную на рис. 1.8. Д ва электрода в про­тивоположных концах базы создают в ба­зовом слое электрическое поле, которое уменьшает время переноса инжектирован­ных дырок и создает в эмиттере смещение, снижающее инжекцию из его донной ч а­сти.

В е р т и к а л ь н ы е т р а н з и с т ор ы т и п а р-п-р. Можно использовать такж е вертикальную р-я-р-структуру, показан­ную на рис. 1.9. Д ля ее формирования не­обходимо изменить технологию: прово­дить более глубокую диффузию для фор­мирования p -слоя и вводить дополнитель­ную операцию диффузии для создания р++-слоя, причем для получения р++-слоя требуется акцепторная примесь, у кото­рой предельная растворимость больше,

чем у донорной примеси в я+-слое. Фактически перед проведением диффузии акцепторов приходится стравливать наиболее легирован­ную часть л+-слоя, т. е. вводить еще одну дополнительную опера­цию.

ДрейшоВыианод

ДрейсроБыйкатод

з к Dl\ p | I—Г

Д

Подложка

Рис. 1.8. Конструкция дрей­фового бокового транзисто­

ра типа р-п-р

16

Составные транзисторы. Составные интегральные транзисторы могут быть реализованы на основе двух транзисторов одного или разных типов, расположенных в одной изолированной области. На

~7~

_ ... .

__8 Д- IjJp-n-Dj*—°Л"Ь Ч&Д ta-p-п) б HZb5 W

! 1П'Р'П) ЬЭ ' I?

Рис. 1.9. Конструкция вертикального Рис. 1.10. Конструкция составного транзистора типа р-п-р, изготовленно- транзистораго методом тройной диффузии на ос­нове планарно-эпитаксиальной струк­

туры

рис. 1.10 представлена транзисторная структура, в которой в зави­симости от схемы соединений могут быть реализованы составные транзисторы, состоящие из двух транзисторов типа п-р-п с общим коллектором или из вертикального транзистора типа п-р-п и гори­зонтального транзистора типа р-п-р. В принципе возможна реали­зация составных транзисторов в разных изолированных областях.

Составной транзистор имеет коэффициент усиления, равный про­изведению коэффициентов усиления составляющих его транзисто­ров: В ~ В \ В 2, однако быстродействие составного транзистора опре­деляется наименее быстродействующим транзистором.

Интегральные диоды. Любой из /?-я-переходов планарно-эпитак­сиальной структуры может быть использован для формирования диодов, но только переходы база — эмиттер и база — коллектор действительно удобны для схемных применений. Пять возможных

г) д)

Рис. 1.11. Конструкции интегральных диодов

вариантов диодного включения интегрального транзистора показа­ны на рис. 1.11: а — переход база — эмиттер с коллектором, зако­роченным на базу; б — переход коллектор — база с эмиттером, за-

I 17

/

короченным на базу; в — параллельное включение обоих перехо­дов- g — переход база — эмиттер с разомкнутой цепью коллектора; д _’переход база — коллектор с разомкнутой цепью эмиттера. П а ­раметры интегральных диодов приведены в табл. 1.3.

Т а б л и ц а 1.3Параметры интегральных диодов

Вариантвключение

Значения параметров

пробивноенапряжение

V вобратный ток

'сбр- нА

емкость диода

Сд , пФ

паразитная емкость на

подложку Со. пФ

время восстанов­ления обратного

тока / в, не

Б К —Э 7—8 0,5— 1,0 0,5 3 10БЭ —К 40—50 15—30 0,7 3 50Б —ЭК 7—8 20—40 1,2 3 100Б—Э 7—8 0,5— 1,0 0,5 1,2 50Б - К 40—50 15—30 0,7 3 75

П р и м е ч а н и е : для обозначения вариантов диодного включения транзистора при­няты следующ ие сокращения: слева от тнре указывают обозначение анода, справа — ка> тода; если две области транзистора соединены, их обозначения пишут слитно.

Из анализа таблицы видно, что варианты включения различа- iются по электрическим параметрам. Пробивные напряжения (Упр 1больше для вариантов с коллекторным переходом, обратные токи ^обр — для вариантов только с эмиттерным переходом, имеющим |наименьшую площадь. Емкость диода между катодом и анодом Сд для варианта с наибольшей площадью переходов максимальна (Б —Э К ). П аразитная емкость на подложку С0 (считается, что под­ложка заземлена) минимальна для варианта Б — Э. Время восста­новления обратного тока tB, характеризующее время переключения { диода из открытого состояния в закрытое, минимально для вари­анта Б К — Э, так как здесь заряд накапливается только в базе.

Оптимальными для ИМС вариантами включения являются Б К — Э и Б —Э, причем чаще используется Б К —Э. Пробивные на­пряжения (7—8 В) достаточны для использования этих вариантов в низковольтных ИМС.

Интегральные резисторы. Резисторы ИМС формируют в любом jиз диффузионных слоев транзисторной структуры (эмиттерная и ба- 1зовая области), в эпитаксиальном слое (коллекторная область) и с помощью ионного легирования.

Рассмотрим разновидности интегральных резисторов.Д и ф ф у з и о н н ы е р е з и с т о р ы . Диффузионные резисторы ]

(Д Р ) изготовляют одновременно с базовой или эмиттерной обла­стью (рис. 1.12, 1.13, 1.14). Сопротивление Д Р представляет собой iобъемное сопротивление участка диффузионного слоя, ограничен- 1ного р-я-переходом. Оно определяется геометрическими размерами резистивной области и распределением примеси по глубине диффу-18

знойного слоя, которое, в свою очередь, характеризуется удельным поверхностным сопротивлением ps. Значение ps является конструк­тивным параметром резистора, зависящим от технологических ф ак­торов (режима диффузии). При создании ИМ С параметры дифф у­зионных слоев оптимизируют с целью получения наилучших хар ак ­теристик транзисторов типа п-р-п , поэтому параметры Д Р улучша-

Рис. 1.12. Конструкция диф­фузионного резистора на

основе базовой области

Рис. 1.13. Поперечный разрез структуры диффузионного рези­стора на основе базовой обла­

сти

ют не варьированием технологических режимов, а выбором конфи­гурации и геометрических размеров резистора. Конфигурации диф ­фузионных резисторов даны на рис. 1.15. Низкоомные (десятки ом) резисторы( рис. 1.15, а) имеют малое отношение 1/Ь. Форму и р аз­меры контактов к ним выбирают такими, чтобы сопротивление приконтактных областей было значительно меньше сопротивления основной области резистора. Резисторы с сопротивлением от сотен ом до единиц килоом в плане имеют вид, изображенный на рис. 1.15, б, в. Здесь длина и ширина приконтактной области равны ши­рине резистора. Топологию, показанную на рис. 1.15, г, д, исполь­зуют для создания высокоомных резисторов (до 20 кО м). Эти ре­зисторы имеют сравнительно малую ширину, размеры приконтакт­ных областей определяются возможностями технологии создания надежного контакта проводящих алюминиевых полосок с полупро­водниковым материалом. Еще более высокоомные резисторы (до 60 кОм) имеют форму меандра (рис. 1.15, е) или изготовляются в донной части базовой области (пинч-резисторы, рис. 1.15, ж). Д лина однополоскового диффузионного резистора не может превы­шать размеров активной области кристалла ( 1— 5 мм), ширина ог­раничена минимальной шириной окна под диффузию, определяемой возможностями фотолитографии (2,5— 3 мкм), и боковой диффузи­ей (уход примеси под окисел равен примерно глубине диффузион­ного р-я-перехода). Типичные значения сопротивления диффузион­ных резисторов, 'которые можно получить при данном значении ps , леж ат в диапазоне 4ps< i ? < 1 0 4ps- Нижний предел ограничивается

19

к .

сопротивлениями приконтактных областей, верхний — допустимой площадью, отводимой под резистор. {

М аксимальное сопротивление Д Р на основе базовой области при­близительно равно 60 кОм, если площадь, отведенная под резистор, не очень велика (не более 15% от (площади кристалла). Воспроизводи­мость номинальных значений сопро­тивления обычно составляет 15—20% и зависит от ширины резистора (табл. 1.4). Отклонения от номина­лов сопрс^тивлений резисторов, рас­положенных на одном кристалле, за счет неточностей технологии имеют один и тот же знак, поэтому отноше­ние сопротивлений сохраняется с вы­сокой точностью (табл. 1.4). Анало­гично, температурный коэффициент отношения сопротивлений мал по сравнению с ТК .R для отдельного резистора [(1,5—3) • 10~4 1/°С]. Эту особенность диффузионных резисто­ров учитывают при разработке полу­проводниковых ИМС.

□а)

4 ^ □*)

□ □

□г)

□

□д)

□

в)□ Оi1 h

ж)

Рис. 1.14. Конструкция диф­фузионного резистора на основе эмиттерной области

Рис. 1.15. Конфигурации диф­фузионных резисторов

На основе эмиттерной области формируются резисторы неболь­ших номиналов [3— 100 Ом с Т К # = ( 1-т-2) • 10-4 1/°С], поскольку значение ps эмиттерного слоя невелико (см. табл. 1.1).

П и н ч - р е з и с т о р ы . При необходимости создания в ИМС резисторов с сопротивлением более 60 кОм используют пинч-рези­сторы (синонимы: канальные, сжатые, закрытые резисторы). Их формируют на основе донной, слаболегированной базовой области, имеющей большее сопротивление и меньшую площадь сечения (рис. 1.16, 1.17). М аксимальное сопротивление таких резисторов со­ставляет 200— 300 кОм при простейшей полосковой конфигурации, ps = 2-b5 кОм/D . Пинч-резисторы имеют большой разброс номина­лов (до 50%) из-за трудностей получения точных значений толщи-

20

Т а б л и ц а 1.4Точность изготовления диффузионных резисторов на основе базовой области

и отношения их сопротивлений

Точность воспроизведения номинала сопротив­

ления, %

Точность отношения сопротивлений, %Ширина резистора,

мкм1 : 1 1 : 5

7 ± 1 5 ± 2 ± 525 ± 8 ± 0,5 ± 1 ,5

I1— U- -1 1::У, М -Y zzezzz, и

1 '71| \ П* \ р IГ\ч ------------Т/----- - \р

Рис. 1.16. Конструкция пинч-резистора

Рис. 1.17. Конструкция пинч-резисторов на основе базовой области с использо­ванием эмиттерной диффу­зии (закрытый I и полуза­

крытый II варианты)

ны донной части p -слоя, большого T I < # = (3-f-5) • 10~3 1/°С вследст­вие меньшей степени легирования донной части. У пинч-резистора п+- и p -слои закорочены металлизацией (см. рис. 1.16) и соединены с выводом резистора, находящимся под большим положительным потенциалом, чем остальные области структуры. Такое соединение обеспечивает обратное смещение на всех переходах пинч-резистора. Этот резистор имеет линейный участок в. а. х. только до напряж е­ний 1 — 1,5 В, его пробивное напряжение равно 5—7 В (эмиттерный лереход, см. табл. 1.2).

Э п и т а к с и а л ь н ы е р е з и с т о р ы . Из трех областей тр ан ­зистора коллекторная имеет наименьшую концентрацию леш рую - щей примеси и максимальное значение ps (500— 5000 Ом/ D ) . П о­скольку эпитаксиальный слой легирован однородно, проводимость эпитаксиального резистора (ЭР) постоянна по всему его сечению в отличие от Д Р . У ЭР (рис. 1.18) поперечное сечение по форме су­щественно отличается от сечений Д Р , ибо эпитаксиальный резистор ■формируется разделительной диффузией. Так как эта диффузия •самая продолжительная и точная регулировка размеров диффузи­онных областей, особенно величины боковой диффузии, затруднена, разброс номиналов сопротивления Э Р значителен. Казалось бы, что большие значения ps позволяют экономить площадь кристалла при формировании ЭР больших номиналов, однако значительная пло­щадь области разделительной диффузии (рис. 1.18) сводит на нет

21

это преимущество. Эпитаксиальные резисторы имеют высокое на­пряжение пробоя (> 1 0 0 В) и большой Т К R, поскольку коллектор­ная область легирована слабо.

Э п и т а к с и а л ь н ы е п и н ч - р е з и с т о р ы . Конструкции этих резисторов отличаются от обычного ЭР тем, что их поперечное сечение уменьшено сверху на глу­бину базового слоя, что и предоп­ределяет большие, чем у ЭР, зна­чения ps (p s = 4 - ^ 8 кОм/D ) и но-

Рис. 1.18. Конструкция ин- грального резистора на ос­нове коллекторной области

Рис. 1.19. Конструкция эпитаксиального пинч-

резистора

миналы сопротивления при одной и той ж е площади (рис. 1.19). Пробивное напряжение этих резисторов определяется пробивным напряжением UKб (см. табл. 1.2), Т К ^ ~ 4 - 10-3 1/°С .

И о н н о - л е г и р о в а н н ы е р е з и с т о р ы . Структура этих резисторов такая же, как и у Д Р , но глубина ионно-легированных слоев, в которых сформировано тело резистора, составляет лишь 0,1— 0,3 мкм (рис. 1.20). Ионная имплантация может обеспечить

а) 6)

Рис. 1.20. Конструкции ионно-легированных резисто­ров, сформированных имплантацией примеси р-типа в эпитаксиальный (коллекторный) слой (а) и приме­

си «-типа в базовый слой (б)

малую концентрацию легирующей примеси в слое. При соответст­вующем выборе дозы легирования и параметров отжига (10—20 мин при 500— 600°С) можно получить p s = 0,5-4-20 кОм/D в резисто­рах со структурой рис. 1.20, а и p s = 500-=-1000 Ом/D в резисторах со структурой рис. 1.20, б. Могут быть достигнуты номиналы со­22

противлений в сотни килоом со сравнительно «изким Т К .ft и допус­ком ± 1 0 % . Ширина и толщина ионно-легированных резисторов с большими номиналами сопротивлений очень малы, что усложняет получение качественного омического контакта. Д л я формирования надежных контактов используют диффузионные р- или п-области, которые создают на стадии базовой или эмиттерной диффузии (рис. 1.20).

Х а р а к т е р и с т и к и и н т е г р а л ь н ы х р е з и с т о р о в . Ти­пичные характеристики интегральных резисторов приведены в табл. 1.5.

Т а б л и ц а 1.5

Характеристики интегральных резисторов

Тип резистора Толщина СЛОЯ, МКМ

Поверхностное сопротивление

РS ’ Ои/ПДопуск, %

ТКЯ(а ), I/°C

Паразитнаяемкость,пФ/ммв

Диффузион­ный резистор на основе базо­вой области

2 , 5 - 3 , 5 100— 300 ± (5— 20) ± ( 0 , 5 - 3 ) -10 - 3 150— 350

Пинч-рези-стор

0 ,5 — 1,0 (2— 1 5 ) -10s ± 5 0 ± ( 1 ,5 — 3 )-1 0 ~ 3 1000— 1500

Диффузион­ный резистор на основе эмит­терной обла­сти

1 , 5 - 2 , 5 1— 10 ± 2 0 ± ( 1 — 5 ) - 10-* 1000— 1500

Эпитакси­альный рези­стор

7— 1,0 (0V5—5) - 103 ± ( 1 5 — 25) ± (2 —4 ) • 10~ s 80— 100

Ионно-леги­рованный ре­зистор /г-типа

0 , 1- 0 ,2 (5— 10 ) • 102 ± 5 0 ± (1,5— 5) ■ 1 0 - 3 200— 350

Т о н к о п л е н о ч н ы е р е з и с т о р ы . В совмещенных ИМ С (в одной конструкции совмещены элементы, изготовляемые по полу­проводниковой и пленочной технологии) поверх слоя защитного диэлектрика могут быть сформированы тонкопленочные резисторы. По сравнению с полупроводниковыми резисторами они обладают следующими преимуществами: имеют более .высокие значения ps, меньшие значения паразитных параметров, более высокую точность изготовления, низкий TKft. Основной их недостаток— необходимость введения дополнительных операций в технологический маршрут из­готовления ИМ С и дополнительных мер защиты от внешних воздей­ствий. Н аиболее часто используемые материалы для тонкопленоч­ных резисторов — нихром и тантал (табл. 1.6) , наиболее распрост­раненная форма — полосковая (см. гл. 3). Тонкопленочные резисто­ры располагают на гладкой поверхности защитного диэлектрика (обычно стекло или SiCb), не содержащей ступенек.

23

Т а б л и ц а 1.6Характеристики тонкопленочных резисторов совмещенных ИМС

Материал ps , Ом/аТКЯ(ссд) ■ 10~4’

1/°С Допуск, %Разбросотношения

сопротивлений,^

Нихром 40—400 1 ± 5 ±1Тантал 200— 5000 1 ± 5 ±1Пленка SiC>2 80—4000 0— 15 ± 8 ± 2

Интегральные конденсаторы. В интегральных полупроводнико­вых конденсаторах роль диэлектрика могут выполнять обедненные слои обратно смещенных р-п-переходов или пленка окисла крем­ния, роль о б кл ад о к— легированные полупроводниковые области или напыленные металлические пленки. Характеристики конденса­торов полупроводниковых ИМС невысоки; кроме того, для получе­ния сравнительно больших емкостей необходима значительная пло­щадь схемы. Поэтому при проектировании электрической схемы полупроводниковой ИМ С стремятся избегать применения конден­саторов.

Д и ф ф у з и о н н ы е к о н д е н с а т о р ы . В ИМ С для формиро­вания диффузионных конденсаторов (Д К ) может быть использо­ван любой из р-я-переходов (рис. 1.21): коллектор — подложка

Рис. 1.21. Варианты формирования интегральных диффузионных конденсаторов на основе р-п-переходов

(Cj), база — коллектор (С2), эмиттер — база (С3), переход р-обла- сти изолирующей диффузии и скрытого п+-слоя ( £ 4). Варианты Cj и С4 не могут быть реализованы в ИМС с диэлектрической изоля­цией.

В близкой к реальной полупроводниковой структуре (рис. 1.21) с удельным сопротивлением подложки 10 Ом-см, сопротивлением слоя базы 200 О м/П и сопротивлением слоя эмиттера 2 Ом/D при глубинах р -п -п е р е х о д о в эмиттер — база 2, 3 мкм, база — коллектор 2,7 мкм и коллектор — подложка 12,5 мкм р-/г-переходы, использу­емые для формирования ДК, имеют такие характеристики:

удельную емкость дна р-п-перехода коллектор — подложка 100 пФ/мм2, а боковой стенки 250 пФ/мм2; пробивное напряжение перехода до 100 В;24

удельную емкость р-гс-перехода б а з а — коллектор 350 пФ/мм2, а его пробивное напряжение 30— 70 В;

удельную емкость дна р-п -перехода эмиттер — база 600 пФ/мм2, а боковой стенки 1000 пФ /мм2, пробивное напряжение перехо­да 7 В.

Самую большую удельную емкость (более 1000 пФ/мм2) имеет р-п-переход, область изолирующей р-диффузии — подколлекторный л +-слой, его пробивное напряжение 10 В. ТКС конденсаторов на этом переходе сравнительно большой (2-10" 4 1/°С).

Поскольку ширина обедненного слоя обратно смещенного пере­хода зависит от напряжения, емкость Д К такж е изменяется с изме­

нением напряжения. Удельную емкость любого полупроводниково­го перехода можно аппроксимировать формулой С0~ K {.\IU )m, где К — коэффициент пропорциональности, зависящий от уровня легирования полупроводниковых областей; т — показатель: т е ^ [ 7 з ; V2], причем т = У 2 соответствует ступенчатому, а т — Уз — линейному переходу. Остальные значения т , входящие в у казан ­ное множество, соответствуют реальным распределениям примеси, в том числе гауссову и по функции ошибок.

В табл. 1.7 даны значения удельной емкости переходов интег­рального транзистора со скрытым слоем iг без него, с подложкой p -типа ( р = 5 О м -см ) , гауссовым распределением примеси в базе (ширина 0,7 мкм) и распределением примеси по функции ошибок в эмиттере.

Т а б л и ц а 1.7Значения удельной емкости переходов интегрального транзистора

и, в Сэб, пФ/мм» Сбк, пФ/мм* ^ки(с я^-слоем), иФ/мм*

СКп(без Л+-СЛОИ), пФ/мм2

0 1400 300 260 1905 1000 120 90 60

10 — 90 55 40

Эмиттерный переход обладает наибольшей удельной емкостью, но малыми напряжением пробоя и добротностью. Базовый переход используется для формирования Д К наиболее часто. Пример кон­струкции такого конденсатора приведен на рис. 1.22. Параметры диффузионных конденсаторов на этих переходах приведены в табл. 1.8. Значения максимальной емкости даны ориентировочно в предположении, что площадь всех конденсаторов ИМС не пре­вышает 20— 25% площади кристалла. Недостатком Д К является необходимость обеспечения строго определенной полярности (см. рис. 1.21), так как условием их нормальной работы является обрат­ное смещение р-п-перехода.

М Д П - к о н д е н с а т о р ь т . Их конструкция представлена на рис. 1.23. Нижней обкладкой служит эмиттерный л+-слой, верх­н е й — пленка А1, диэлектриком — тонкие слои S i0 2 или SisN4. П о ­

25

следний предпочтителен вследствие большей емкости Со (диэлек­трическая проницаемость е нитрида выше, чем окисла кремния), но S i 0 2 более доступен. Толщина диэлектрика составляет 0,05— 0,12 мкм. П араметры М ДП-конденсаторов приведены в табл. 1.8. Недостатком М ДП-конденсаторов в составе биполярных ИМ С яв-

Рис. 1.22. Конструкция интеграль­ного диффузионного конденсато­

ра:1 — алюминиевый вывод от верхней об­кладки конденсатора; 2 — алюминие­вый вывод от нижней обкладки кон­денсатора; 3 — пленка золота (контакт к подложке); 4 — подложка р-типа; 5 — коллекторная n-область (ннжняя обкладка конденсатора); 6 — базовая p-область (верхняя обкладка конден­

сатора); 7 — пленка окнсла кремния

Рис. 1.23. Конструкция интеграль­ного МДП-конденсатора:

1 —■ верхняя обкладка; 2 — алюминие­вый вывод от нижней обкладки; 3 — подложка р-тнпа; 4 — коллект орная п-область; 5 — /г+-слой (ннжняя об­кладка конденсатора); 6 ~ тонкий оки­сел (диэлектрик конденсатора); 7 —

толстый окисел

Т а б л и ц а 1.8Параметры интегральных конденсаторов

Типконденсатора

Удельная емкость С0)

пФ /мм

Мак

сим

альн

ая

1 ем

кост

ь С

тах-

пф Допуск 8,

% £ X X Пробивное

напряжение U„nt В

п р ’ J

Доброт­ность*

Д К на переходах: Б - К 150(350)** 300 ± 15ч-20 - 1 , 0 33— 70 50— 100Э — Б 600(1000)** 1200 ± 2 0 - 1 , 0 7— 8 1— 2 0к -п 100(250)** — ± 15-Г-20 — 35— 70 —

М ДП с диэлектри­ком:

S i0 2 400— 600 500 ± 2 0 0 ,015 33—53 25—80Si3N4 800— 1600 1200 ± 2 0 0 ,0 1 50 2 0 — 100

Тонкопленочные с диэлектриком:

S i0 2 500—800 653 ± 2 0 ± 3 20—40 13— 100Si3N4 3000—5500 4500 ± 2 0 2—5 23 10— 10!)

* Для Д К на частоте I МГц, для МДП и тонкоплеиочиых конденсаторов иа частоте 10 МГц.

** В скобках указаны значения С0 для вертикальных (боковых) стеиок р-га-перехода.

26

т.п

п+1*

ляется необходимость введения дополнительной операции созда­ния тонкого диэлектрика и еще одной фотолитографии.

Т о н к о п л е н о ч н ы е М Д М - к о н д е н с а т о р ы . В совмещен­ных ИМ С можно сформировать плоские МДМ-конденсаторы в ми­ниатюрном исполнении. Они состоят из двух металлических слоев, разделенных слоем диэлектрика (см. гл. 3). В качестве обкладок используют А1 или Та, в первом случае диэлектриком служит А120з, во втором — Т а2Об. Диэлектрическая посто­янная Та2Об на порядок выше, чем у боль­шинства других диэлектриков, но окисел тантала не применяют в ИМС, работающих на высоких частотах. МДМ-конденсаторы, так ж е как и МДП-конденсаторы, работают при любой полярности. Их недостатком по сравнению с диффузионными конденсатора­ми является необратимый отказ в случае пробоя диэлектрика.

Соединения и контактные площадки. С о- е д и н е н и я . Элементы ИМ С электрически соединены между собой с помощью алюми­ниевой разводки толщиной до 0,8 мкм. Ког­да в однослойной разводке не удается избе­ж а т ь пересечений, применяют диффузион­ные перемычки (рис. 1.24). Речь идет об изоляции двух взаимно перпендикулярных проводников, первый из которых размещен по­верх защитного окисла, второй «подныривает» 'под него в виде уча­стка п+-слоя. Этот участок имеет заметное сопротивление (3— 5 Ом), вносит дополнительную паразитную емкость и занимает сравнительно большую площ адь (для него требуется отдельная

1 п +п \

, . p -si )

Рис. 1.24. Конструкция диффузионной перемыч­

ки

Рис. 1.25. Конструкция соединений (а) и контакт­ной площадки (б) ИМС

изолированная область), поэтому диффузионной перемычкой .поль­зуются в исключительных случаях. Диффузионные перемычки не применяют в цепях питания, в которых протекают достаточно боль­шие токи.

К о н т а к т н ы е п л о щ а д к и . Контактные площадки (К П ), располагаемые обычно по периферии полупроводникового кристал­

27

ла, служ ат для создания соединений полупроводниковой схемы с выводами корпуса с помощью золотых или алюминиевых прово­лочек методом термокомпрессии. Д л я К П используют тот же мате­риал, что и для создания разводки (чаще всего алюминий); КП фор­мируют одновременно с созданием разводки. Д ля предотвращения замыканий КП на подложку в случае нарушения целостности окисла при термокомпрессии под каждой КП формируют изоли­рованную область (за исключением КП, соединенных с проводни­ками, имеющими контакт с подложкой). Конструкция КП приве­дена на рис. 1.25.

Фигуры совмещения. Фигуры совмещения являются вспомога­тельными элементами ИМС, необходимыми для точного выполне­ния операции совмещения рисунка фотошаблона при фотолитогра­фии с рисунком ранее созданных слоев. Число фигур совмещения на единицу меньше числа операций фотолитографии, использован­ных при изготовлении ИМ С (рис. 1.26). Фигуры совмещения могут иметь различную форму (рис. 1.27, а—д ) .

§ 1.2. Изоляция элементов и технологические процессы производства ИМС

Д ля нормальной работы ИМ С необходимо, чтобы элементы или группы элементов были размещены в электрически изолированных друг от друга областях. Эти области должны иметь следующие электрические и физические свойства: напряжение пробоя изоляции более высокое, чем напряжение питания ИМС; малую паразитную

Рис. 1.26, Фрагмент тополо­гии ИМС с фигурами сов­

мещения

28

емкость, небольшие токи утечки, высокую теплопроводность, бли­зость коэффициента термического расширения (КТР) изолирующей области к К.ТР кремния, большую радиационную стойкость, малую площадь, отводимую под изоляцию.

Изоляция с помощью р-п-переходов. В § 1.1 были приведены данные о конструктивно-технологическом исполнении и некоторых характеристиках элементов ИМС на биполярных транзисторах, выполненных способом изоляции элементов с помощью обратно смещенных р-п-переходов (диодная изоляция).

Д ля формирования любого элемента полупроводниковой ИМС и создания ее конструкции обычно достаточно трех р-п -переходов и четырех слоев двух типов электропроводности. И золяция обеспе­чивается р-п-переходом между подложкой и коллекторными обла­стями элементов ИМС (рис. 1.28). При подаче отрицательного по­тенциал а_на подложку изолирую­щий переход смещ ается- в об рат­ном направлении1Г карманы «-ти­па, в которых размещены элемен­ты ИМС, оказываются окружен­ными со всех сторон областью р- типа и изолированными друг от друга обратно смещенными р-п- переходами, сопротивление кото­рых по постоянному току велико.Характеристики изоляции могут ухудшаться за счет паразитных емкостей и токов утечки, особеннопри работе на высоких частотах и в тяжелых эксплуатационных ус­ловиях (повышенные температуры). Несмотря на это, метод диод­ной изоляции является распространенным. -

Сокращенный маршрут изготовления ИМ С с изоляцией эле­ментов обратно смещенными р-п -переходами методом планарно­эпитаксиальной технологии представлен на рис. 1.29. Из рисунка видно, что операция изоляции элементов осуществляется группо­вым методом, органически сочетается с технологией изготовления ИМ С в целом и реализуется проведением разделительной (изоли­рующей) диффузии на всю глубину эпитаксиального слоя.

Рассмотренная технология позволяет получать необходимую степень легирования коллектора и подложки независимо друг от друга. При выборе высокоомной подложки и не очень высокоомно­го эпитаксиального слоя (коллектора) можно обеспечить оптималь­ные емкости перехода коллектор — база и его напряжение пробоя. Наличие эпитаксиального слоя позволяет точно регулировать тол­щину и сопротивление коллектора, которое, однако, остается доста­точно высоким (70— 100 Ом). Снижение сопротивления коллектора достигается созданием скрытого п+-слоя путем диффузии в р-под- лож ку примеси «-типа перед наращиванием эпитаксиального слоя.

Изоляция диэлектриком. Диэлектрическая изоляция позволяет создавать ИМС с улучшенными характеристиками по сравнению

-СГ\ПсиЛШХХ!.

Рис. 1.28. Изоляция двух интеграль­ных транзисторов с помощью р-п-пе­

реходов

29

P

\______

77У7771______ tZZZ

P

___________ ©,

77777J ч 17/ 77;V J V V J

' © , ._______________' © ,+S*

©

2 Z Z Z

©pn щ

n71 Г У /У У /Л ^ //.! 177&Ш=±п

p ©

Рис. 1.29. Последовательность операций планарно-эпитакси­альной технологии производства биполярных полупроводнико­

вых ИМС с изоляцией элементов /?-я-переходами:/ — механическая обработка поверхности рабочей стороны Si пласти­ны p-типа до 14-го класса чистоты и травление в парах НС1 для удаления нарушенного слоя; 2 — окисление для создания защитной маскн при диффузии прнмесн л-типа; 3 — фотолитография для вскры­тия окон в окисле и проведения локальной диффузии в местах форми­рования скрытых слоев; 4 — диффузия для создания скрытого п+ -слоя;5 — снятие окисла и подготовка поверхности перед процессом эпитак­сиального наращивания; 6 — формирование эпитаксиальной структуры; 7 — окисление поверхности эпитаксиального слоя для создания защ ит­ной маски при разделительной диффузии; 8 — фотолитография для вскрытия окон под разделительную диффузию; 9 — проведение разде­лительной диффузии н создание изолированных карманов; 10 — окис­ление; / / — фотолитография для вскрытия окон под базовую диф ф у­зию; 12 — формирование базового слоя диффузией прнмесн р-типа; 13 — окисление; 14 — фотолитография для вскрытия окон под эмнттер- ную диффузию; 15 — формирование эмнттерного слоя диффузней при­меси л-типа; 16 — фотолитография для вскрытия контактных окои; 17 — напыление пленки алюминия; 18 — фотолитография для создания

рисунка разводки и нанесение слоя защитного диэлектрика

7///7%Ь zfzzzzaV

©

77Л y-r?r-r7/7] rZZУ. Г\17

/?+ Vп©

Рис. 1.30. Последовательность операций технологического про­цесса производства биполярных полупроводниковых ИМС с

диэлектрической изоляцией элементов:1 — структура со скрытым диффузионным слоем на подложке я-типа после операций механической обработки, химического полирования, окисления, фотолитографии, локальной диффузии примеси п-тнпа;2 — фотолитография для вскрытия окон в окисле перед операцией ло­кального травления кремния; 3 — травление кремния; 4 — снятие окис­ла; 5 — нанесение окисла, нитрида нлн карбида кремния; 6 — о саж де­ние нз парогазовой фазы слоя высокоомного полнкрнсталлического кремния толщиной — 200 мкм; 7 — сошлифовыванне монокристалличе- ского кремния до получения изолированных диэлектриком карманов и получение рабочей поверхности высокого класса чистоты; 8 — окисле­ние рабочей поверхности; 9 — фотолитография для вскрытня окон под базовую диффузию; 10 — формирование базового слоя; 11 — фотолито­графия для вскрытия окон под эмнттерную диффузию; 12 — форми­рование змиттериого слоя; 13 — фотолитография для вскрытия кон­тактных окон; 14 — напыление пленки алюминия; 15 — фотолитогра­фия для создания рисунка разводки и нанесение слоя защитного д и ­

электрика

со схемами, в которых применяется диодная изоляция, а именно: существенно увеличить напряжение пробоя изолирующей области, значительно (примерно на шесть порядков) уменьшить токи утеч­ки, уменьшить (примерно на два порядка) паразитные емкости и в результате увеличить рабочую частоту аналоговых и быстродей­ствие цифровых ИМС, повысить их радиационную стойкость.

Один из технологических маршрутов формирования ИМС с д и ­электрической изоляцией элементов представлен на рис. 1.30. И зо ­ляция обеспечивается слоем окисла, нитрида или карбида кремния (Si) либо их сочетаниями (позиция 5 и последующие). Поликрис- таллический кремний, удельное сопротивление которого составляет менее 0,01 Ом-см, выполняет роль механического основания ИМС. Основные трудности реализации этого способа заключаются в про­ведении прецизионного шлифования с исключительно малыми от­клонениями толщины сошлифованного слоя и высокой дефектности монокристаллических карманов после механической обработки их рабочей поверхности. Поликристаллический кремний можно зам е­нить диэлектриком, например ситаллом, керамикой (керамическая изоляция), но ввиду несогласованности К ТР кремния и керамики этот вариант не обеспечивает требуемой плоскостности пластин после процессов термической обработки и отличается низким вы­ходом годных изделий. В ИМС с диэлектрической изоляцией з а ­труднен теплоотвод от полупроводниковых областей; кроме того, площадь, занимаемая элементами ИМС, сравнительно большая, т. е. степень интеграции ИМС невысока.

Комбинированная изоляция. Комбинированная__изоляция э л е ­ментов ИМС является компромиссным в а р и а н т о в сочетающим технологичность изоляции р-п-переходом и высокие качества изо­ляции диэлектриком. Количество способов этой изоляции очень велико. Здесь 'элементы ИМС со стороны подложки изолированы обратно смещенным р-я-переходом, а с боковых сторон — диэлек­триком (окислом, стеклом, керамикой).

ТакихМ образом, изоляция р-^переходом заменяется изоля­цией диэлектриком в наиболее уязвимом приповерхностном слое и с боковых сторон. Наибольшее распространение на сегодняшний день получили такие способы комбинированной изоляции, как ло­кальное окисление (изопланарная технология) и вертикальное анизотропное травление (полипланарная технология).

В основе этих технологий лежит локальное сквозное окисление или протравливание тонкого (2—3 мкм) эпитаксиального слоя кремния n -типа, в результате чего этот слой оказывается разделен­ным на островки, в которых можно формировать элементы ИМС.

Схема технологического процесса «Изопланар I» представлена на рис. 1.31, а — д. Маской при локальном травлении и последу­ющем окислении кремния служит нитрид кремния, скорость окис­ления которого примерно на порядок меньше, чем у кремния. П ред­варительное перед окислением локальное травление эпитаксиаль­ного слоя кремния осуществляют на 60— 65% от общей его толщины, с тем чтобы образовавш аяся канавка при окислении зарос-

32

ла окислом точно до краев, так как удельный объем окисла при­мерно вдвое больше удельного объема кремния. Это обеспечивает планарность структуры перед формированием разводки.

Технологический процесс «Изопланар II» (рис. 1.32, а — г ) по­зволяет уменьшить занимаемую транзистором ИМС площадь на

злог 5i.;Nb 70% по сравнению с 'планарно­эпитаксиальной технологией и иа 40% по сравнению с процес­сом «Изопланар I». Особенно­сти конструкции транзистора, сформированного по техноло­гии «Изопланар I», заклю ча­ются в следующем: вывод кол­лектора отделен от базы и

1 Q /1 П- 7Т/л+_

1 р \ \ /с ; \

J\ / 2 7

С г х и 1

j [ п~ ) {

\ р6} 5 i O z

Р V//y^ р р т р

п~ У г п +

с3)

J T

"7F~

а)

Р и с .'1.31. Последовательность опе­раций технологического процесса

«Изопланар I»:а — структура со скрытыми слоями после проведения фотолитографии по слоям окисла и нитрида кремния; б — травление кремния; в — формирование разделительного окисла; г — формиро­вание коллектори методом диффузии; д — формирование других областей ак­тивных и пассивных элементов мето­

дами планарной технологии

Рис. 1.32. Последователь­ность операций технологиче­ского процесса «Изопла­

нар II»:а — структура со скрытым сло­ем и пленкой нитрида кремния;б — фотолитография по нитриду и локальное травление кремния; в — формирование толстого изо­лирующего окисла; г — удале­ние маски иитрида кремния и формирование элементов в изо­лированных областях методом

планарной технологии

эмиттера слоем изолирующего толстого окисла и помещен в отдель­ную область; уменьшение числа фотошаблонов, так как базовую диффузию можно проводить по всей поверхности полупроводнико­вой структуры, не формируя базовых окон.2 - 4 4 9 33

Особенностями технологического процесса «Изопланар II» явл я­ются: снижение требований к допускам при изготовлении фотошаб­лонов и к точнности их совмещения при фотолитографическом вскрытии окон под коллекторную и эмиттерную диффузии, посколь­ку неточности приходятся на область разделительного толстого окисла и не влияют на окончательный результат; сформирован при­стеночный эмиттер,‘большая часть боковых-стенок которого изоли­рована разделительным окислом, что позволяет получить транзис­торы с более высоким коэффициентом усиления.

Рис. 1.33. Уменьшение размеров ИМС, сформированных с применением пла* нарно-эпнтаксиальной технологии (а), технологий «Изопланар I» (б) и «Изо­

планар II» (в)

Современные биполярные БИ С и СБИС, изготовляемые в ос­новном способами комбинированной изоляции, обладают достаточ­но высокими характеристиками изоляции. Преимуществом этой изо­ляции является возможность достижения высокой степени интегра­ции ИМС, которую иллюстрирует рис. 1.33, а — в.

§ 1.3. Конструирование и расчет параметровэлементов ИМС на биполярных транзисторах

К ак правило, при разработке ИМ С производят расчет геомет­рии пассивных элементов биполярных ИМ С (резисторов и конден­саторов), а конструкции транзисторов и диодов выбирают из банка данных по этим элементам, имеющегося на данном предприятии, применительно к одной (или нескольким) базовым технологиям. При строгом соблюдении режимов базовой технологии вертикаль­ную структуру элементов можно считать заданной. В этом смысле расчет резисторов и конденсаторов привязан к базовой технологии (заданы поверхностные концентрации, глубины залегания р-я-пере- х о д о в и д р . ) .

Конструирование и расчет параметров резисторов. Исходными данными для расчета геометрических размеров интегральных по­34

лупроводниковых резисторов являются: заданное в принципиаль­ной электрической схеме номинальное значение сопротивления R и допуск на него AR\ поверхностное сопротивление легированного слоя ps, на основе которого формируется резистор; среднее значе­ние мощности Р и максимально допустимая удельная мощность рассеяния Р о; основные технологические и конструктивные ограни­чения.

Топология интегральных полупроводниковых резисторов пред­ставлена на рис. 1.15. Характеристики резисторов зависят от того, какой слой транзисторной структуры использован в качестве рези­стивного (см. табл. 1.5).

Полная относительная погрешность сопротивления диффузион­ного резистора определяется суммой погрешностей:

где /<ф — коэффициент формы резистора; АКф/Кф — относительная погрешность коэффициента формы резистора; Aps/ps — относитель­ная погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопро­тивления легированного слоя, для типовых технологических процес­сов A ps/ps=0 ,05-^0 ,l ; ал — температурный коэффициент сопро­тивления резистора (см. табл. 1.5); адДТ — температурная погреш­ность сопротивления. Принимаем, что интегральный полупроводни­ковый резистор в сечении, перпендикулярном направлению протека­ния тока, имеет прямоугольную форму.

Расчет геометрических размеров интегрального полупроводни­кового резистора начинают с определения его ширины. За расчетную ширину Ьрасч резистора принимают значение, которое не меньше наибольшего значения одной из трех величин: ЬТехп, Ьточн, ЬР, т. е. ^расч5?гпах{^Texui Ь10ЧН, ЬР}, где ЬТехн — минимальная ширина рези­стора, определяемая разрешающей способностью технологических процессов; ЬТОЧн — минимальная ширина резистора, при которой обеспечивается заданная погрешность геометрических размеров; ЬР — минимальная ширина резистора, определяемая из максималь­но допустимой мощности рассеяния.

Величину Ьтехн находят из перечня технологических ограниче­ний выбранной технологии (например, для планарно-эпитаксиаль­ной технологии Ьтехн= :5 мкм).

Ширину Ьточн определяют из выражения ■

где А6 и АI — абсолютные погрешности ширины и длины резистив­ной полоски, обусловленные технологическими процессами.

Д ля типовых технологических процессов (АЬ = А /= 0 ,0 5 ч - 0,1 мкм)

A R / R — ДЛ'ф/Л''ф- f Aps/ps -\-aRA T ;

Кф = 1/Ь = R/Ps,

( 1 .1 )(1.2)

ТОЧН (Д b -j- Д//Л’ф) А'ф/ДЛ'ф,точн (1.3)

Д-Кф/ ф—Д RlR APs/Ps— а/?Д Г . (1.4)

35

Ш и р и н у bp о п р е д е л я ю т и з в ы р а ж ен и я

Ь р =Р (/<ф ’

Р(1.5)

где P q — максимально допустимая удельная мощность рассеяния, выбираемая в зависимости от типа корпуса микросхемы и условий, ее эксплуатации в пределах 0,5—4,5 Вт/мм2.

Д ля составления чертежа топологии следует выбрать шаг коор­динатной сетки. Его выбирают равным 0,5 или 1 мм (допускается 0,1 или 0,2 мм) . Задаваясь .м асш табом 1 00 : 1, 200: 1, 300: 1_ и т. д., определяют шаг координатной сетки для фотошаблона, затем про­межуточное значение ширины резистора:

где Дтрав— погрешность,-вносимая за счет растравливания окон в маскирующем окисле перед диффузией (для типовых технологиче­ских процессов Дтрав = 0,2 -f-0,5 мкм); А у —-погрешность, вносимая за. счет ухода диффузионного слоя под маскирующий окисел в бо­ковую сторону (ориентировочно Ду составляют 60% глубины б а­зового слоя и 80% глубины эмиттерного слоя).

Д алее находят топологическую ширину резистора Ьтоп (ширину на чертеже топологии) и реальную ширину резистора иа кристалле после изготовления ИМС.

Если Ьдром^Ьтехн, то за bтоп принимают равное или ближайш ее к Ьпром большее значение, кратное шагу координатной сетки, при­нятому для чертежа топологии.

Реальная ширина резистора на кристалле

Если в &Пром<&тех1ь то за bTоп принимают равное или ближ ай­шее к bтехн большее значение, кратное шагу координатной сетки. Реальную ширину резистора на кристалле определяют так же, как и в первом случае.

Расчетную длину резистора определяют по формуле

где A W — количество изгибов резистора на угол л / 2 ; k\, к2 — по­правочные коэффициенты, учитывающие сопротивление контактных областей резистора (рис. 1.34, а — е й 1.35, а — г), зависящее от конфигурации контактной области резистора, соотношения разм е­ров контактного окна L b контактной области L2 и реальной ширины резистора b с каждой его стороны; п\ и по — число контактных пло­щадок (обычно п = 2 ).

Следует учитывать, что реальная длина резистора I на кристал­ле будет меньше топологической длины /топ на чертеже топологии за счет увеличения геометрических размеров контактных областей

(1.6 )

b — blQU -f- 2 (Д трав -{- Д у). (1.7)

v . . = ь (Я/Ps — я 1 1 — f h h ~ 0,55JVII3r), (1.8)

36

резистора с обоих кондов в результате боковой диффузии. Поэтому сначала оценивают промежуточное значение длины резистора

Aij-ou = ^расч "4" ^ чравН- . • ( 1 - 9 )

З а топологическую длину резистора /топ принимают ближайшее к /пром значение длины, кратное шагу координатной сетки, приня­тому для чертежа топологии.

Рис. 1.34. Линии тока и эквипотенциальные поверхности в резистивномслое:

а — при изгибе резистора под прямым углом; б — у металлического контакта; в — у металлического контакта плнч-резисгора

ЗМ?-ч)

! : ! ! 11 1 ! ! 1чПгW i г

/ К/ I л-V

О 0.750.500,75L,./Ь 1,0 2,0 3,0 i 2/b 1,0 7,0 3,0 Lz /b 0 2 4 6 8 b/!.2I) 5) В) г)

Рис. 1.35. Значения коэффициентов /г( и k2 для расчета диффузионных ре­зисторов при различных конструкциях контактных областей:

а, г — для низкоомных резисторов; б, в — для высокоомных резисторов

Реальная длина резистора на кристалле/ = / Т0„ - 2 ( Д трав + Д//). (1.10)

Отклонение размеров резистивной области за счет погрешно­стей Дтрав и Ду следует обязательно учитывать при определении величин L\ и L2 и выборе коэффициентов k x и k 2.

37

При окончательном определении топологических значений Ьтоп и /тол рассчитывают сопротивление спроектированного резистора и погрешность, используя реальные значения ширины и длины ре­зистора на кристалле. При необходимости увеличивают ширину пли длину резистора до значения, дающего приемлемую погреш­ность.

Сопротивление резисторов, показанных на рис. 1.15, определяют по формулам:

для резисторов рис. 1.15, а, б, г, дR = P s (U b + 2k); (1.11)

для резистора рис. 1.15, вR = ?s b-\-2>k\\ (1-12)

для резистора рис. 1.15, е

R ~ P s {h lb-\-2k —)— 0,5БДА„ЗГ), (1-13)

где {х — суммарная длина прямолинейных участков;для пинч-резистора рис. 1.15, ж

R = ? sklb + Ps l(/i + h)lb + 2*1, (1.14)

где p s '— поверхностное сопротивление базового слоя, ограничен­ного эмиттерным слоем; ps — поверхностное сопротивление базо­вого слоя.

Конструирование и расчет параметров конденсаторов. Исходны­ми даиньши для расчета конденсаторов являются: необходимое зн а­чение емкости С и допуск на него А С; рабочее напряжение U, В; интервал рабочих температур АТ, °С; рабочая частота /, Гц; основ­ные технологические и конструктивные ограничения. При расчете

Р________________ 1г)

Рис. 1.36. Структуры конденсаторов переходов Э — Б (а), К — Б (б), К-

реходов Э — Б и К — Б (

5) в)

Юполупроводниковых ИМС на основе - П (в), параллельно включенных пе- :), М ДП-конденсатора (д)

необходимо выбрать тип и конструкцию конденсатора, определить его геометрические размеры, занимаемую площадь. Н а рис. 1.22, 1.23, 1.36, а — д представлены структуры конденсаторов полупро­водниковых ИМС, их характеристики даны в табл. 1.8.

38

Емкость диффузионного конденсатора прямоугольной формы на основе обратно смещенного р-я-перехода

С = С лон-\-Сбок= С 0аЬ-{-Соб(а-{-Ь) Xj, ( 1-15)

где С о и С об — удельные емкости донной и боковых частей р-п-пе­рехода; а, b и Xj — геометрические размеры р-м-перехода.

Соотношение слагаемых зависит от отношения а/b. Оптималь­ным является отношение a / b — 1, при этом доля «боковой» емкости оказывается минимальной. Д л я курсового проектирования доста­точно определить С0 и С0б из табл. 1.8 .

По заданным значениям С, С0, С0б, Xj находят геометрические размеры конденсатора квадратной формы; если для топологии ИМ С требуется конденсатор прямоугольной формы, то один из р а з ­меров прямоугольника выбирают, исходя из конструктивных со­ображений. Расчет еще более упрощается, если значением Сбок можно пренебречь. Д л я расчета ДС необходимо учесть погрешно­сти технологии при выполнении геометрических размеров диффу­зионных слоев и отклонения емкости от номинального значения за счет изменения температуры.

Емкость М ДП-конденсатора определяется выражениемC = 0 ,0 8 8 5 e S /d = C 0S , (1.16)

где е и d — относительная диэлектрическая проницаемость (для SiOg 8 = 4 ) и толщина диэлектрика; С0 — удельная емкость (см. табл. 1.8); 5 — площадь верхней обкладки конденсатора.

Рабочее напряжение М ДП-конденсаторов (обычно 10— 50 В) ограничено напряжением пробоя диэлектрика, которое рассчитыва­ют по формуле Unp= E npd, где Епр — электрическая прочность ди­электрика (для S i 0 2 £np-=107 В/см). При расчете геометрических размеров М ДП-конденсатора задаются d, определяют Со и рассчи­тывают площадь верхней обкладки.

МДМ-конденсаторы совмещенных ИМС рассчитывают анало­гично пленочным конденсаторам ГИМС (см. гл. 3).

При вычерчивании чертежа топологии конденсаторов их размеры корректируют с учетом шага координатной сетки.

Конструирование и выбор структуры интегральных транзисто­ров. Процесс проектирования планарных транзисторов состоит из следующих этапов: для данной серии ИМС или нескольких серий, исходя из быстродействия, потребляемой мощности, необходимой степени интеграции, задаю т электрические параметры транзисторов как базовых элементов ИМС; выбирают технологию производства ИМС, параметры материала подложки и эпитаксиального слоя, при­ближенно оценивают основные размеры конструкции транзисторов в плане и в сечении, проводят расчет электрических параметров транзисторов и, если они существенно отличаются от заданных, пу­тем ступенчатого изменения конструктивных размеров и последу­ющих расчетов подбирают геометрию всех областей транзисторной структуры, не выходя за рамки технологических ограничений. З а ­тем осуществляют экспериментальную проверку проведенной рабо­

39

ты: разрабатываю т комплект фотошаблонов, выпускают опытные партии транзисторных структур и измеряют их характеристики. Ес­ли параметры транзисторов отличаются от заданных, то методом последовательных приближений путем изменения размеров тран ­зисторных областей и их характеристик, корректировки режимов технологических процессов добиваются необходимого соответствия параметров.

Расчет транзисторов сложен, трудоемок, без применения ЭВМ практически невыполним, точность его невысока. Поэтому часто этап расчета конструкции транзисторов опускают, акцентируя вни­мание на экспериментальном этапе. При этом на предприятии, вы­пускающем ИМС, формируют банк интегральных транзисторов с широким спектром характеристик. При таком подходе задача кон­структора ИМС состоит в подборе конкретных типов интеграль­ных транзисторов для данной ИМС в соответствии с ее электриче­ской схемой.

Сначала выбирают физическую структуру различных областей транзистора. Удельное сопротивление подложки должно быть боль­шим (1 — 10 О м -см ), что обеспечивает высокое напряжение пробоя и малую емкость обратно смещенного р-п-перехода коллекторной подложки.

При выборе уровня легирования коллекторной области (эпитак­сиального слоя) необходимо выполнить ряд противоречивых требо­ваний: для получения малого последовательного сопротивления коллектора уровень его легирования должен быть высокий, а для получения малой емкости и высокого напряжения пробоя перехода база — коллектор — низкий.

Обычно удельное сопротивление эпитаксиального слоя выбира­ют равным 0,1—0,5 Ом-см, а толщину — в пределах 2— 15 мкм. Использование тонких эпитаксиальных слоев (до 3 мкм) позволяет уменьшить паразитные емкости и увеличить плотность размещения элементов. В структурах со скрытым п+-слоем и подлегированием области коллекторного контакта последовательное сопротивление коллектора составляет 10—50 Ом.

При выборе уровней легирования базовой и эмиттерной обла­стей необходимо такж е учитывать несколько противоречивых тре­бований. Так, для уменьшения паразитного сопротивления между активной областью базы и контактом к базе следует увеличивать уровень легирования базы. Однако это приводит к снижению эффек­тивности эмиттера и уменьшению напряжения пробоя перехода ба­з а — эмиттер. Кроме того, поверхностная концентрация примеси в базовом слое не должна быть меньше 5 - 1016 см-3, так как на по­верхности этого слоя возможно образование инверсного проводяще­го канала п-типа, индуцированного встроенным зарядом в окисле.

Высокий уровень легирования эмиттера необходим для получе­ния большого коэффициента инжекции. Однако при уровнях леги­рования эмиттерной области, достигающих предела растворимости примеси в кремнии, в кристаллической решетке образуются точеч­ные и линейные дефекты, которые значительно уменьшают время

40

жизни носителей заряда , что, в свою очередь, приводит к умень­шению коэффициента инжекцни.

Частотные характеристики транзисторов зависят в основном от паразитных емкостей переходов н последовательных сопротивле­ний его областей. Влияние паразитных параметров уменьшают конструктивно за счет максимально возможного уменьшения гео­метрических размеров транзистора.

После выбора физической структуры выбирают конфигурацию транзистора. Поскольку характеристики в значительной степени зависят от размеров различных областей транзистора, нужно учи­тывать, что периметр эмиттера определяет токовые характеристики транзистора, площадь эмиттера — частотные характеристики, пло­щадь базы — емкость перехода база — коллектор и распределенное сопротивление базы, площадь коллектора — е.мкость перехода кол­лектор — подложка и последовательное сопротивление коллектора.

В маломощных (0 ,3<cP<c3 мВт) и микромощных ( 1 < Р < С < 3 0 0 мкВт) цифровых ИМС размеры всех областей транзистора стремятся выполнить минимальными, на пределе возможностей технологии, хотя это может привести к снижению выхода годных изделий.

Обычно анализируют несколько типовых конфигураций транзис­торов, представленных на рис. 1.37, где сплошными линиями обо­значены границы диффузионных областей, а пунктирными — гра­ницы вскрытия окон в пленке двуокиси кремния для последующего формирования металлических контактов. Д л я микромощных схем наиболее пригодна полосковая конструкция транзистора (рис.1.37, а, в).

Взаимное расположение контактов к различным областям тран­зисторной структуры выбирают в зависимости от конкретного топо­логического рисунка микросхемы и удобства расположения выво­дов транзистора. Если необходимо получить малое сопротивление коллектора, применяют транзисторы с увеличенной контактной об­ластью к коллектору (рис. 1.37, б, г — ж). Д л я получения малого сопротивления базы и высокого коэффициента усиления использу­ют конструкции с двумя контактами к базовой области (рис.1.37, ж ) . Многоэмиттерные транзисторы (рис. 1.37, з — к) применя­ют во входных цепях схем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ ). Конструкция, показанная на рис. 1.37, м, используется при формировании двух (или более) транзисторов, имеющих одинако­вый потенциал на коллекторе.

Транзисторы средней ( 3 < Р < 2 5 мВт) й большой ( 2 5 < Р < < 2 5 0 мВт) мощностей работают в режимах высоких плотностей эмиттерного тока (200—3000 А/см2). Поэтому в мощных схемах це­лесообразны узкие эмиттеры с.большим периметром.

Топологию мощного транзистора разрабаты ваю т так, чтобы обеспечить максимальное отношение периметра эмиттера к его пло­щади. Это значительно увеличивает активную область транзистора и обеспечивает достаточно большой рабочий ток без увеличения размеров всей структуры. Н а рис. 1.3 представлена топология мощ-

41

пого транзистора с эмиттерной областью, выполненной в виде гре­бенки с зубцами, расположенными по одну сторону от общей пере­мычки. Контакты эмиттера и базы располагаются рядом и чере­дуются. Возможны и другие варианты топологии эмиттерной области. \ а к н е транзисторы используют в выходных каскадах ИМС, когда требуется обеспечить достаточно большие мощности.

Отметим, что усложнение конструкции транзисторов повышен: пои мощности приводит к ряду нежелательных эффектов. Так, в результате технологического разброса параметров отдельные эле-

141,5

Щ15 10

!! ? itfl! ш\-М —/-* 1----« 5----

д)

177,5100

~iJ— - — --

--------»-

i f

i i L

1TIlT IT Zi i i j

щ i t-f- * i i ! 1 1 "•

j j iTi

г

f

t - U -i' 4

I щ

« Г р-I г

\10

?5e)

Рис. 1.37. Банк данных о топологии интегральных биполярных транзисто­ров: одноэмнттерных (а — ж)\ многоэмиттерных (з — л ) \ с общим кол­

лектором (м )

менты транзистора имеют различные сопротивления и входят в ре­жим насыщения не одновременно. Это приводит к перегрузке низ- "коомных элементов.

- Д ля формирования транзисторов типа р-п-р одновременно с транзисторами типа п-р-п в одном технологическом процессе ис­пользуют латеральные структуры (см. рис. 1.6, 1.7), в которых кол-

Рис. 1.37. Продолжение

43

лекторную область располагают вокруг эмиттера для увеличения коэффициента усиления.

Конструирование и выбор структуры диодов ИМС. Банк д ан ­ных диодных структур, выполненных по планарно-эпитаксиальной технологии, представлен на рис. 1.38, а — в. Диоды, сформирован­ные на основе перехода эмиттер — база (см. рис. 1.11), характери­зуются наименьшими значениями обратного тока за счет самой м а­лой площади и самой узкой области объемного заряда. Обычно структурам диодов соответствуют обратные токи в пределах 0,1— 50,0 мА (см. табл. 1.3).

I + 1J____

I го■ w 12,5

117,5

О)

12,5

Г- Г

,20

'шьс )

■ г

11050 , 15

в)

Рис. 1.38. Банк данных о топологии интегральных диодов: на переходе Б — К (а, б), на переходе Б — Э (в)

Наименьшей паразитной емкостью ( ~ 1 , 2 пФ) такж е обладают диодные структуры на основе перехода эмиттер — база. Д ля других структур значение паразитной емкости порядка 3 пФ.

Быстродействие диодов кроме паразитной емкости характеризу­ется временем восстановления обратного сопротивления, т. е. вре­менем переключения диода из открытого состояния в закрытое. Оно минимально (около 10 не) для перехода эмиттер — база при условии, что переход коллектор — база закорочен (см. рис. 1. 11, а ) , так как при такой диодной структуре заряд накапливается только в базовом слое. В других структурах заряд накапливается не толь­ко в базе, но и в коллекторе и время восстановления обратного сопротивления составляет 50— 100 не.

Из анализа параметров диодов можно заключить, что диод на основе транзисторной структуры с замкнутым переходом база — коллектор предпочтительнее использовать в цифровых ИМС, по­скольку он обеспечивает наибольшее быстродействие. Диод на основе перехода эмиттер — база применяют в цифровых схемах в ка­честве накопительного диода. Диоды с замкнутым переходом ба­за — эмиттер и диоды на основе перехода база — коллектор, име­ющие наибольшие напряжения пробоя, могут быть использованы в качестве диодов общего назначения.

44

Основой для разработки топологии полупроводниковой ИМС являю тся электрическая схема, требования к электрическим п ар а ­метрам и к параметрам активных и пассивных элементов, конструк­тивно-технологические требования и ограничения.

Р азработка чертежа топологии включает в себя такие этапы: вы­бор конструкции и расчет активных и пассивных элементов ИМС; размещение элементов на поверхности и в объеме подложки и со­здан ие рисунка разводки (коммутации) между элементами; р а з ­работку предварительного варианта топологии; оценку качества т о ­п о л о г и и и ее оптимизацию; разработку окончательного варианта топологии. Целью работы конструктора при разработке топологии .является минимизация площади кристалла ИМС, минимизация суммарной длины разводки и числа пересечений в ней.

Конструктивно-технологические ограничения при разработке топологии ИМС на биполярных транзисторах. Электрофизические .характеристики и геометрические размеры вертикальной структуры элементов ИМС, формируемых по планарно-эпитаксиальной тех­нологии, приведены в табл. 1.1.

Важнейшей технологической характеристикой, определяющей горизонтальные размеры областей транзисторов и других элемен­тов ИМС, является минимальный геометрический размер, который м ож ет быть уверенно сформирован при заданном уровне техноло­гии, например минимальная ширина окна в окисле кремния, мини­м альн ая ширина проводника, минимальный зазор между проводни­ками, минимальное расстояние между кр аям и эмиттерной и базовой областей и т . д. Пусть минимальный размер, который мож ет обеспечить технология, равен d.Тогда размеры активных областей и само­го транзистора при минимальной его пло­щ ади определятся величинами, приведен­ными на рис. 1.39. Зазор между областью, заним аем ой транзистором, и другими эле­ментами ИМС больше минимального раз­м ера d на величину боковой диффузии под окисел, которая при разделительной дифф узии примерно равна толщине эпи­таксиального слоя dr,. Таким образом, .при Минимальном размере 10 мкм минималь­н а я длина транзистора простейшей конструкции будет равна ~ 130 мкм. При достигнутом в настоящее время' уровне технологии, характеризующемся минимальным размером 4 мкм, минимальная д ли н а транзистора равна ~ 6 0 мкм. При минимальном размере 1,5— 2 мкм, предельном для оптической фотолитографии, размер транзистора при d0 — 3 мкм составит ~ 2 8 мкм.

Приведенные рассуждения верны, если суммарная величина «боковой диффузии при формировании базовой и эмиттерной обла-

§ 1.4. Разработка топологии ИМС

11б+20э

d

JCM »+11!

■ъ‘о

d

Я 11d_1 d |

1й ! 1— ---- -1

Рнс. 1.39. Соотношение раз­меров областей транзистора со стандартным размером d.

45

стсй существенно меньше d. Если это условие не выполняется, то для минимально допустимого топологического зазора между двумя диффузионными областями справедливо соотношение

^д.о ^ У\~{~ ^ 2 - Ь 5ф Ч ' ®1. (1 - ^7)

где tj\ и г/2 — величины боковой диффузии под окисел; 6ф — суммар­ная допустимая ошибка в положении края окон под диффузию за счет фотолитографии; ш \ — максимальная ширина области объем­ного заряда в работающем приборе.

Приведенное неравенство можно не учитывать при a f= 1 0 мкм (см., например, рис. 1.40), но при d ^ -Ъ мкм с ним приходится счи­таться и снижение линейных размеров транзисторов с дальнейшим уменьшением d будет проходить уже не столь высокими темпами.

Si о,/Г

U'3-

V'\

Рис. 1.40. Вертикальная структура планарно-эпитаксиального би­полярного транзистора с двумя выводами базы и кольцевым вы­водом коллектора, выполненная в масштабе (разводка не пока­

зана):/ — скрытый п+-слой; 2 — подложка р-тнпа; 3 — коллектор (эпитаксиаль­

ный слой); 4 — область разделительной диффузии

didjA

lL'Z.—

г

Б-: ш ш

!: п;'л:

:!:£

Л ьdm

fe i:т

I_____г

*5

о'з

d-ig dm d iz

+Еп

Рис. 1.41. Конструктивно-технологические ограничения при разработке то­пологии ИМС на биполярных транзисторах

46

Конструктивно'технологические ограничения, которые необхо­димо учитывать при разработке топологии ИМС на биполярных транзисторах, приведены на рис. 1.41. Приведем конструктивно-тех­нологические ограничения при конструировании ИМ С на биполяр­ных транзисторах, выполненных по плапарно-эпитаксиальиой тех­нологии с использованием изоляции р-п-переходом.

Минимально допустимые размеры, мкмШирина линии скрайбирования слоя .................................. 60Расстояние от центра скрайбирующей полосы до края

слоя металлизации илн до края диффузионной обла­сти ................................................................................................... 50— 100

Размер контактных площадок для термокомпрессионнойприварки проводников d j ....................................................... 100X100

Расстояние между контактными площадками d2 ................ 70Размер контактных площадок тестовых элементов рабо­

чей с х е м ы ...................................................................................... 50X 50Ширина проводника d3:

при длине ^ 5 0 м к м ........................................................... 4при длине ^ 5 0 м к м ..................................... .................... 6

Расстояние между проводниками <£»:при длине ^ 5 0 м к м ........................................................... 3при длине ^ 5 0 м к м ........................................................... 4

Ширина области разделительной диффузии d s ................. 4Расстояние от базы до области разделительной диффу­

зии d6 .............................................................................................. 10Расстояние между краем области подлегирования кол­

лекторного контакта и краем разделительной обла­сти d7 ............................................................................................... 10

Расстояние между краем разделительной области и кра­ем скрытого «+-слоя d g ............................................................ 10

Расстояние между краем контактного окна в окисле кколлектору и краем базы d g ................................................ 7

Расстояние между краем контактного окна в окисле кбазе и краем базы d l 0 ............................................................. 3

Расстояние между эмиттерной и базовой областями d n 3 Расстояние между краем контактного окна в окисле к

эмиттеру и краем эмиттера d i 2 ............................................ 3Расстояние между контактным окном к базе и эмитте­

ром d, ................................................................................................ 4Расстояние между базовыми областями, сформирован­

ными в одном коллекторе....................................................... 9Расстояние между эмиттерными областями, сформиро­

ванными в одной б а з е ............................................................. 6Расстояние между контактным окном к коллектору и

областью разделительной диффузии d 14............................ 10Размеры контактного окна к базе d i .................................. 4X 0Размеры контактного окна к эмиттеру d l 6 .......................... 4X 4 или

3X 5Ширина области подлегирования п +-слоя в коллекто­

ре d l 7 ............................................................................................... 8Ширина контактного окна к коллектору d i 8 ...................... 4Ширина резистора d ...................................................................... 5Размеры окна вскрытия в о к и с л е ........................................... 2,5X2,5Перекрытие металлизацией контактных окон в окисле к

элементам ИМС d2о .................................................................. 2Расстояние от края контактного окна к ^ -р азд ел и тел ь­

ным областям для подачи смещения до края области разделения d2 i ............................................................................. 6

47

Расстояние от края контактного окна к изолированным областям, л-типа для подачи смещения до края обла­сти разделения d22 ..................................................................... 6

Ширина диффузионной перем ы чки.......................................... 3Размер окна в пассивирующем окисле d23 ...................... 100X 100Расстояние от края окна в пассивации до края контакт­

ной площадки d2A........................................................................ 6Расстояние между соседними резисторами d25 ................... 7Расстояние между диффузионными и ионно-легнрован-

ными р ези сто р ам и ..................................................................... 4Расстояние между контактной площадкой и проводя­

щей дорожкой d26 ..................................................................... 20Ширина скрытого л + -с л о я ......................................................... 4Расстояние между контактным» площадками тестовых

эл е м е н т о в ....................................................................................... 40

Следует обращать особое внимание на размеры топологических зазоров, так как при неоправданно малых их значениях ИМС или не будет функционировать из-за перекрытия областей структуры (например, базовой области и области разделительной диффузии)„ или будет иметь искаженные параметры за счет усиления паразит­ных связей между элементами. С другой стороны, завышение раз­меров топологических зазоров приводит к увеличению площади кристалла.

Правила проектирования топологии полупроводниковой ИМС.Разработка топологии ИМС — творческий процесс, и его результа­ты существенно зависят от индивидуальных способностей р азра­ботчика, его навыков и знаний. Сущность работы по созданию топо­логии ИМС сводится к нахождению такого оптимального варианта взаимного расположения элементов схемы, при котором обеспечи­ваются высокие показатели эффективности производства и каче­ства ИМС: низкий уровень бракованных изделий, низкая стоимость, материалоемкость, высокая надежность, соответствие получаемых электрических параметров заданным. Приводимые здесь правила проектирования являются обобщением опыта проектирования ИМ С на биполярных транзисторах.

К разработке топологии приступают после того, как количество,, типы и геометрическая форма элементов ИМС определены.

П р а в и л а п р о е к т и р о в а н и я и з о л и р о в а н н ы х о б ­л а с т е й . Количество и размеры изолированных областей оказыва­ют существенное влияние на характеристики ИМС, поэтому:

1) суммарная площадь изолирующих р-п-переходов долж на быть минимальной, так как их емкость является паразитной. Мини­мальные размеры изолированной области определяются геометри­ческими размерами находящихся в ней элементов и зазорами, ко­торые необходимо выдерживать между краем изолированной обла­сти и элементами и между самими элементами, размещенными в одной изолированной ообласти;

2) к изолирующим р-я-переходам всегда должно быть приложе­но напряжение обратного смещения, что практически осуществля­ется подсоединением подложки p -типа, или области разделитель­ной диффузии p-типа, к точке схемы с наиболее отрицательным

48

потенциалом. При этом суммарное обратное напряжение, прило­женное к изолирующему р-я-переходу, не должно превышать н а­пряжения пробоя;

3) диффузионные резисторы, формируемые на основе базового слоя, можно располагать в одной изолированной области, которая, подключается к точке схемы с наибольшим положительным по­тенциалом. Обычно такой точкой является контактная площадках ИМС, на которую подается напряжение смещения от коллекторного' источника титания (рис. 1.42, а, б);

Рис. 1.42. Принципиальная электрическая схема цифровой ИМС на токовыхключах (а) и преобразованная электрическая схема для составления эскиза-

топологии (б)

4) резисторы на основе эмиттерного и коллекторного слоев сле­дует располагать в отдельных изолированных областях;

5) транзисторы типа п-р-п, коллекторы которых подсоединены непосредственно к источнику питания, целесообразно разм ещ ать вт. одной изолированной области вместе с резисторами;

6) транзисторы типа п-р-п, которые включены по схеме с общим? коллектором, можно располагать в одной изолированной области;

7) все другие транзисторы, кроме упомянутых в п. 5 и 6 , необхо­димо располагать в отдельных изолированных областях, т. е. все коллекторные области, имеющие различные потенциалы, долж ны быть изолированы;

8 ) для уменьшения паразитной емкости между контактными площадками и подложкой, а такж е для защиты от короткого з а ­мыкания в случае нарушения целостности пленки окисла под ними при приварке проволочных выводов под каждой контактной пло­щадкой создают изолированную область, за исключением контакт­ных площадок с наиболее отрицательным потенциалом;

9) количество изолированных областей для диодов может силь­но изменяться в зависимости от типа диодов и способов их вклю ­

49

чения. Если в качестве диодов используются переходы база — кол­лектор, то для каждого диода требуется отдельная изолированная область, так как каждый катод (коллекторная область п-типа) дол­жен иметь отдельный вывод (рис. 1.43, а ) . Если в качестве диодов используются переходы эмиттер — база, то все диоды можно поме­стить в одной изолированной области .'П ри этом все катоды диодов (эмиттерные области) сформированы отдельно в общем аноде (б а ­зовой области, рис. 1.43, б). Аноды диодов с помощью соединитель­ной металлизации закорачивают на изолированную (коллектор­ную) область;

Рис. 1.43, Принципиальные электрические схемы и конструкции трех диодовс общими анодами:

а — на основе перехода Б—К ( I — базовые области р-тнпа; 2 — коллекторные области л-типа; 3 — подложка; 4 — коллекторные контакты); б — на основе перехода БК—Э (/ — подложка; 2 — коллекторная область л-типа; 3 — базовая область р-типа; 4 —

эмиттерные области л-типа; 5 — перемычка коллектор — б а з а ) .

10) для диффузионных конденсаторов требуются отдельные изо­лированные области. Исключение составляют случаи, когда один из выводов конденсатора является общим с другой изолированной областью;

11) для диффузионных перемычек всегда требуются отдельные изолированные области.

П р а в и л а р а з м е щ е н и я э л е м е н т о в И М С н а п л о ­щ а д и к р и с т а л л а . После определения количества изолирован­ных областей приступают к их размещению в нужном порядке, р а з ­мещению элементов, соединению элементов между собой и с кон­тактными площадками, руководствуясь следующими правилами:

1) при размещении элементов ИМ С и выполнении зазоров м еж ­ду ними необходимо строго выполнять ограничения (см. рис. 1.41), соответствующие типовому технологическому процессу;

2) резисторы, у которых нужно точно выдерживать отношение номиналов, должны иметь одинаковую ширину и конфигурацию и располагаться рядом друг с другом. Это относится и к другим эле ­ментам ИМС, у которых требуется обеспечить точное соотношение их характеристик;

3) резисторы с большой мощностью не следует располагать вблизи активных элементов;

50

4) диффузионные резисторы можно пересекать проводящ ей 'до­рожкой поверх слоя окисла кремния, покрывающего резистор (см. рис. 1.42, б ) ;

5) форма и место расположения конденсаторов не являются кри­тичными?

6) соединения, используемые для ввода питания, заземления, входной и выходной выводы, необходимо выполнять в виде широких и коротких полосок, что уменьшает паразитные сопротивления;

7) для улучшения развязки между изолированными областями контакт к подложке следует располагать рядом с мощным транзи­стором или как можно ближе к входу или выходу схемы;

8 ) число внешних выводов в схеме, а такж е порядок располо­жения и обозначения контактных площадок выводов ИМС на кри­сталле должны соответствовать выводам корпуса;

9) коммутация в ИМ С долж на иметь минимальное количество пересечений и минимальную длину проводящих дорожек. Если полностью избежать пересечений не удается, их можно осущест­вить, используя обкладки конденсаторов, формируя дополнитель­ные контакты к коллекторным областям транзисторов, применяя диффузионные перемычки и, наконец, создавая дополнительный слой изоляции между пересекающимися проводниками;

10) первую контактную площадку располагают в нижнем левом углу кристалла и отличают от остальных по ее положению отно­сительно фигур, совмещения или заранее оговоренных элементов топологии. Нумерацию остальных контактных площадок проводят против часовой стрелки. Контактные площадки располагают в з а ­висимости от типа выбранного корпуса по периметру кристалла или по двум противоположным его сторонам;

11) фигуры совмещения располагают одной-двумя группами на любом свободном месте кристалла;

12) при разработке аналоговых ИМС элементы входных диф­ференциальных каскадов должны иметь одинаковую топологию и быть одинаково ориентированными в плоскости кристалла; для уменьшения тепловой связи входные и выходные каскады должны быть максимально удалены; для уменьшения высокочастотной свя­зи через подложку контакт к ней следует осуществлять в двух точ­к а х — вблизи входных и выходных каскадов.

Р е к о м е н д а ц и и п о р а з р а б о т к е э с к и з а т о п о л о ­г и и . Д л я обеспечения разработки эскиза топологии рекомендуется с самого начала вычертить принципиальную .электрическую схему так, чтобы ее выводы были расположены в необходимой последова­тельности (см. рис. 1.42, б). К аж д ая линия, пересекающая резистор на принципиальной электрической схеме, будет соответствовать ме­таллизированной дорожке, пересекающей диффузионный резистор по окислу на топологической схеме.

На этапе эскизного проектирования топологии необходимо пре­дусмотреть решение следующих задач: расположить как можно большее число резисторов в одной изолированной области; подать наибольший потенциал на изолированную область, где размещены

51

резисторы; подать наиболее отрицательный потенциал на подлож­ку вблизи мощного транзистора выходного каскада; рассредоточить элементы, на которых рассеиваются большие мощности; располо­жить элементы с наименьшими размерами и с наименьшими з а п а ­сами на совмещение в центре эскиза топологии; сократить число изолированных областей и уменьшить периметр каждой изолиро­ванной области.

В случае если принципиальная электрическая схема содержит обособленные группы или периодически повторяющиеся группы элементов, объединенных в одно целое с точки зрения выполня­ем ы х ими функций, разработку рекомендуется начинать с составле­ния эскизов топологии для отдельных групп элементов, затем объ- •единить эти эскизы в одни, соответствующий всей схеме.

На основе эскиза разрабатываю т предварительный вариант то­пологии, который вычерчивают на миллиметровой бумаге в выбран­ном масштабе, обычно 100:1 или 2 0 0 : 1 (выбирают масштабы, кратные 100). Топологию проектируют в прямоугольной системе координат. Каждый элемент топологии представляет собой зам кну­тую фигуру со сторонами, состоящими из отрезков прямых линий, параллельных осям координат. Придание элементам форм в виде отрезков прямых линий, не параллельных осям координат, допу­стимо только в тех случаях, когда это приводит к значительному упрощению формы элемента. Например, если форма элемента со­стоит из ломаных прямых, составленных в виде «ступенек» с мел­ким шагом, рекомендуется заменить их одной прямой линией. К о­ординаты всех точек, расположенных в вершинах углов ломаных линий, должны быть кратны шагу координатной сетки.

При вычерчивании чертежа топологии на миллиметровой бума­ге принимают минимальный шаг координатной сетки, равный 0,5 мм. Можно выбрать другой шаг, но он должен быть кратным минимальному. Действительный (на кристалле) размер шага коор­динатной сетки зависит от выбранного масштаба топологии.

При вычерчивании общего вида топологии рекомендуется ис­пользовать линии разного цвета для различных слоев ИМС: эмит- терного — черный, базового — красный, разделительного (коллек­т о р н о го )— зеленый, вертикального — черный пунктирный, скры­того — зеленый пунктирный, металлизации — желтый, окна в окисле д ля контакта к элементам — синий пунктирный, окна в пассиви­рующем (защитном) о ки сл е— синий сплошной.

В процессе вычерчивания топологии для получения оптимальной компоновки возможно изменение геометрии пассивных элементов, например пропорциональное увеличение длины и ширины резисто­ров или их многократный изгиб, позволяющие провести над рези­стором полоски металлической разводки или получить более плот­ную упаковку элементов. При изменении формы пассивных элемен­тов в процессе их размещения проводят корректировочные расчеты в соответствии с формулами и рекомендациями, изложенными в § 1.3.

52

При проектировании слоя металлизации размеры контактных площ адок и проводников следует брать минимально допустимыми, я расстояния между ними — максимально возможными.

После выбора расположения элементов и контактных площадок, создания рисунка разводки необходимо разместить на топологии фигуры совмещения, тестовые элементы (транзисторы, резисторы и т. д.— приборы, предназначенные для замера электрических па­раметров отдельных элементов схемы), реперные знаки. Фигуры совмещения могут иметь любую форму из приведенных на рис. 1.27 (чаще всего квадрат или крест), причем надо учесть, что на каждом фотошаблоне, кроме первого и последнего, имеются две фигуры, расположенные рядом друг с другом. Меньшая фигура предна­значена для совмещения с предыдущей технологической операцией, а большая — с последующей. Н а первом фотошаблоне расположена только большая фигура, а на последнем — только меньшая.

При разработке топологии важно получить минимальную пло­щ а д ь кристалла ИМС. Это позволяет увеличить производитель­ность, снизить материалоемкость и повысить выход годных ИМС, поскольку на одной полупроводниковой пластине можно разм е­стить большее число кристаллов и уменьшить вероятность попада­ния дефектов, приходящихся на кристалл. При размерах стороны кри сталла до 1 мм ее величину выбирают кратной 0,05 мм, а при р азм ер ах стороны кристалла 1— 2 мм — кратной 0,1 мм.

Д л я любой принципиальной электрической схемы можно полу­чить много приемлемых предварительных вариантов топологии, удовлетворяющих электрическим, технологическим и конструктив­ным требованиям. Любой предварительный вариант подлежит дальнейш ей доработке.

Если после уплотненного размещения всех элементов на кри­с т а л л е выбранного размера осталась незанятая площадь, рекомен­дуется перейти на меньший размер кристалла. Если этот переход невозможен, то незанятую площадь кристалла можно использовать д л я внесения в топологию изменений, направленных на снижение требований к технологии изготовления полупроводниковой ИМС. Например, можно увеличить размеры контактных площадок и рас­стояния между контактными площадками, ширину проводников и расстояние между ними, по возможности выпрямить элементы р а з ­водки, резисторы, границы изолированных областей.

В заключение производят контрольно-проверочные расчеты по­лученной топологии микросхемы, включающие в себя оценку теп­лового режима и паразитных связей.

П р о в е р к а п р а в и л ь н о с т и р а з р а б о т к и т о п о л о ­г и и И М С . Последний из составленных и удовлетворяющий всем требованиям вариант топологии подвергают проверке в такой по­следовательности: Проверяют соответствие технологическим огра­ничениям: минимальных расстояний между элементами, принад­леж ащ им и одному и разным слоям ИМС; минимальных размеров элементов, принятых в данной технологии, и других технологиче­ских ограничений; наличие фигур совмещения для всех слоев ИМС;

53

размеров контактных площадок для присоединения гибких выводов; расчетных размеров элементов их размерам на чертеже топологии; мощности рассеяния резисторов, максимально допустимой удель­ной мощности рассеяния (Ро = P / S n ^ 103-М 0 4 мВт/мм2), а такж е обеспечение возможности контроля характеристик элементов ИМС.

Разработка документации на комплект фотошаблонов для про­изводства ИМС. Исходя из окончательного и проверочного вариан­та топологии ИМС, выполняют чертежи слоев схемы, необходимые для создания комплекта фотошаблонов. Д л я ИМС со скрытым слоем и изоляцией элементов р-п-переходами, изготовляемой по планарно-эпитаксиальной технологии, необходим комплект из семи фотошаблонов для проведения следующих фотолитографических операций: 1 — вскрытия окон в окисле под локальную диффузию донорной примеси при создании скрытых слоев перед операцией эпитаксии; 2 — вскрытия окон в окисле под разделительную дифф у­зию акцепторной примеси при создании изолирующих областей;3 — вскрытия окон в окисле под локальную диффузию акцепторной примеси при создании базовой области транзисторов и резисторов;4 — вскрытия окон в окисле под локальную диффузию донорной примеси при создании эмиттерных областей транзисторов, резисто­ров, диффузионных перемычек и прикоптактных областей в коллек­торах транзисторов; 5 — вскрытия окон в окисле под. контакты разводки к элементам ИМС; 6 — фотолитографии по пленке алюми­ния для создания рисунка разводки и контактных площадок; 7 — фотолитографии по пленке защитного диэлектрика для вскрытия окон к контактным площ адкам ИМС.

Пример разработки топологии ИМС

На рис. 1.44 а представлена принципиальная электрическая схема логиче­ского элемента И — НЕ диодно-транзисторной логики. Активными элементами схемы являются транзистор промежуточного каскада Ти транзистор выходного каскада Т2, входные диоды Д , —Д 4, диод промежуточного каскада Д 5, пассивны­ми элементами — резисторы R :—Т?4.

После проверочного расчета схемы проводят расчет геометрических (топо­логических) размеров пассивных и активных элементов.

Для схемы рис. 1.44 а в качестве транзистора промежуточного каскада Т } выбран из банка транзисторов одноэмиттерный однобазовый транзистор с по­лосковой контактной областью к коллектору (см. рис. 1.37, в) . Н а основе струк­туры транзистора Г] сформированы диод Д 5 и тестовый транзистор (рис. 1.44 в).

Транзистор выходного каскада Т2 является более мощным. В качестве этого транзистора выбран одноэмиттерный однобазовый транзистор с П-образной кон­тактной областью к коллектору (см. рис. 1.37, г).

В качестве входных диодов Д \—Д 4 выбран диод на основе р-л-перехода база — коллектор транзисторной структуры .. Диод промежуточного каскада Д 5 выполняют на переходе эмиттер — база той ж е транзисторной структуры. Исход­ными данными для разработки эскиза топологии являются принципиальная электрическая схема, геометрические размеры активных элементов, геометриче­ские размеры резисторов. Проектирование эскиза топологии (рис. 1.44 б) реко­мендуется начинать с какой-либо контактной площадки, затем последовательно переходить от одного элемента к другому, по возможности располагая элементы, соединенные между собой, в непосредственной близости друг от друга и учиты­вая требования к расположению контактных площадок. На рис. 1.44 б показан первый вариант эскиза топологии логического элемента И — НЕ.

54

Контакт Цепь

11 Питание

Цепь КонтактВход 5

Вход 4

Вход

Вход

Контакт | Цепь

10 |,Питание

JU.

LJ \кснтакт Цепьi 7 \BaxoO

Ш м -

Расширитель [ 7 ] —'

Рис. 1.44а. Принципиальная электрическая схема логического элемента И — НЕ

= ^ = 1 г , - ~11 j j I 10

, - i — L lL - -

'П

Г J

!-----h___ l

= ^1I I I I L "

L= n ±l

ш1U -I t j J г a

ПЩПШп! II—5—J t! ! r - o - 1

L.

.ЬгфггЬ Li^rtr

= J j l U = ,

jj a

| i °Д,\

. J

Рис. 1,446. Эскиз топологии логического элемента И — НЕ

Окончательный вид топологии приведен на рис. 1.44 в. Н а кристалле преду­смотрен тестовый транзистор, предназначенный для контроля параметров транзис­торов схемы. Он имеет такую ж е конфигурацию, что н транзистор T t. Контакт-

Рис. 1.44в. Топология логического элемента И — НЕ

ные площадки тестового транзистора имеют форму, отличную от формы кон­тактных площадок схемы.

Фигуры совмещения имеют форму квадратов. Запас на совмещение для квадратов составляет 5 мкм.

Глава 2

КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИМСНА УНИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

§ 2.1. Механизм работы и классификацияМД П-транзисторов

М ДП-транзисторы отличаются от биполярных транзисторов, по­скольку механизм их работы основан на перемещении только ос­новных носителей заряда. В связи с этим их называют ун и п о ля р ­ными. Эти транзисторы имеют преимущества перед биполярными: малый уровень шумов, большая стойкость к радиационным излуче­ниям, устойчивость от перегрузок по току, высокое входное сопро­тивление. К недостаткам следует отнести меньшее быстродействие,

56

худшую технологическую воспроизводимость параметров и боль­ш ую временную нестабильность.

М ДП-транзистор имеет четыре электрода, которые называют истоком, стоком, затвором и подложкой (рис. 2.1, а). Принцип .действия М ДП-транзистора основан на эффекте изменения элек­тропроводности поверхностного слоя полупроводника между сто­ком и истоком под действием напряжения, приложенного к управ­ляю щ ему электроду (затвору), отделенному от поверхности полу­проводника тонким слоем диэлектрика. Участок полупроводника с изменяющейся электропроводностью называют каналом и изо­б р аж аю т на чертежах в виде скрещенных тонких л и н и й .

Существуют две разновидности МДП-транзпсторов: с встроен­ным каналом и с индуцированным каналом.

<>и и^ 3 <?сJ . ijAwWl . L ,1 1—p--j 1

п

. Н иж няя граница к а н а ла

U,o5f j Y fI I .

(~$£,7}0К \Сток

| 4 ! Х 1

V "

___I I_ _n \. -g-T-i я

Объемный заряд jтГСГ

ист ок Сток3 °—|

'чтдор а)

Рис. 2.1. М ДП-транзистор с инду­цированным каналом р-типа:

а — упрощенная конструкция; б — ус­ловное обозначение

■Ja'mQop 6]

Рис. 2.2. М ДП-транзистор с инду­цированным каналом /г-типа:

а — упрощенная конструкция; б — ус­ловное обозначение

В М ДП-транзисторе с индуцированным каналом (рис. 2.1, а, 2.2, а) при нулевом напряжении па затворе канал отсутствует. Ес­л и увеличивать напряжение на затворе (по модулю), то при неко­тором значении напряжения затвор — исток U0, называемом поро­говым напряжением, на поверхности полупроводника будет индуци­роваться инверсный слой, электропроводность которого совпадает с электропроводностью истока и стока. В результате образования этого слоя области стока и истока оказываются соединенными тон­ким токопроводящим каналом и во внешней цепи возникает ток.

Структура М ДП-транзистора с встроенным каналом такова, ■что создание канала в тонком приповерхностном слое полупровод­ника предусматривается самой технологией производства. Поэтому конструкция такого транзистора будет отличаться от конструкций, представленных на рис. 2.1, а, 2 .2, а, изображением нижней грани­цы канала сплошной линией. Электропроводность канала обяза­тельно совпадает с электропроводностью стока и истока. Посколь­ку электропроводность подложки обратна электропроводности ка­н ала, области стока, истока и капала отделены от подложки

57

р-я-переходом. Ток в канале такого транзистора может возникать и при нулевом смещении на затворе.

Исток и сток в принципе обратимы, и их можно менять местами при включении транзистора в схему. В этом случае при симметрич­ной структуре транзистора его параметры сохраняются, а при не­симметричной структуре (сток и исток могут различаться формой, площадями) они будут отличаться.

В связи с тем, что до последнего времени наибольшее примене­ние в цифровых ИМС получили М ДП-транзисторы с индуцирован­ным каналом, дальнейшее изложение будет относиться к транзи­сторам этого типа.

По электропроводности канала различают /7-канальные и « -ка­нальные М ДП-транзисторы. Упрощенная конструкция этих прибо­ров показана на рис. 2 .1, а, 2 .2, а, а условное обозначение на элек­трических сх е м ах — на рис. 2.1, б, 2 .2, б.

Существует классификация М ДП-транзисторов по конструктив­но-технологическим признакам (чаще по виду материала затвора) (см. § 2 .3 ) .

Интегральные микросхемы, содержащие одновременно р-к а ­нальные и n -канальные М ДП-транзисторы, называют комплемен­тарными (сокращенно К М Д П -И М С ). К М ДП -И М С отличаются вы­сокой помехоустойчивостью, малой потребляемой мощностью, вы­соким быстродействием. Эти преимущества, однако, достигаются за счет более сложной технологии с меньшим выходом годных схем.

§ 2.2. Особенности использования МДП-транзистора как типового схемного элемента ИМС

В электрических схемах цифровых ИМС кроме активных эле ­ментов (М ДП-транзисторов) широко используют резисторы боль­ших номиналов и конденсаторы. Резисторы являются нагрузками ключевых схем (инверторов), рассматриваемых далее, а конденса­торы находят применение при проектировании ячеек памяти запо­минающих устройств.

Проектирование резисторов по аналогии с полупроводниковыми ИМ С на биполярных транзисторах в М Д П -И М С является-нецеле­сообразным по двумя причинам: площ адь диффузионного резисто­ра большого номинала ( ^ 2 0 кОм) почти 'на порядок превышает площадь активного М ДП-прибора; паразитная емкость резистор — подложка диффузионного резистора значительна и существенно ухудшает частотные свойства схемы.

Поэтому для получения большей степени интеграции в М Д П - ИМ С в качестве резисторов нагрузки используют так называемые нагрузочные МДП-транзисторы. Эти транзисторы имеют конструк­цию, сходную с М ДП-транзнсторами, работающими в активном ре­жиме. Необходимый номинал резистора достигается подачей на затвор нагрузочного М Д П -транзистора определенного потенциала и подбором геометрических размеров канала.

При необходимости спроектировать конденсатор в М Д П -И М С

58

можно использовать емкость затвор — подложка или сток (ис­ток) — подложка М ДП-транзисторов. Требуемое значение емкости конденсатора обеспечивается площадью областей затвора, стока или истока М ДП-трапзистора.

Н а основании изложенного можно утверждать, что М Д П -тран ­зистор является типовым схемным элементом М Д П -И М С и может выполнять функции как активных приборов (ключевой транзистор в инверторе, усилительный транзистор и т. д .), так и пассивных элементов (нагрузочный транзистор в инверторе, конденсатор в ячейке памяти и т. д .). Это позволяет при проектировании М Д П - ИМ С обходиться только использованием МДП-транзисторов, кон­структивные параметры и схема включения которых будут зависеть от выполняемой функции.

§ 2.3. Технологические процессы производства МДП-ИМС

В М Д П -И М С нет необходимости применять дополнительные об­ласти для изоляции элементов друг от друга, в связи с чем степень интеграции М Д П -И М С выше, чем степень интеграции ИМС на би­полярных транзисторах, а технологические маршруты их изготов­ления содержат меньшее количество операций.

Наибольшее распространение получили следующие маршруты производства: технология М Д П -И М С на p -канальных транзисторах с алюминиевыми и кремниевыми затворами, технология М Д П -И М С на /г-канальных транзисторах с кремниевыми з а ­творами, технология К М ДП -И М С с алюминиевы­ми, молибденовыми или кремниевыми затворами.

На рис. 2.3 показана .последовательность тех­нологических операций при производстве р-ка­нальных М Д П -И М С с алюминиевыми затворами, на рис. 2.4 — /г-канальных М Д П -И М С с кремние­выми затворами и на рис. 2.5 — маршрут произ­водства К М ДП -И М С с кремниевыми затворами.

Укажем лишь некоторые характерные п ар а ­метры областей и слоев МДП-структур, приве­денных на рис. 2.3—2.5: для ионно-легированных п+-областей ps = 3 0 - r 3 5 Ом/П, глубина залегания

Рис. 2.3. Последовательность технологических операций при производстве р-канальных М ДП-ИМ С с алюминиевыми за ­

творами:1 — окисление кремниевой пластины я-типа; 2 — фотолитография для вскрытия ОКОИ под области стоков, истоков и диффузионных шин; 3 — локальная загонка примеси p-типа в поверхностную об­ласть будущих стоков н истоков методом ионного легирования и второе окисление с одновременной разгонкой примеси; 4 — фо­толитография для удаления окисла с подзатворных областей; 5 — формирование подзатворного диэлектрика окислением в сухом кислороде и дополнительная разгонка примеси в областях стоков и истоков; 6 — фотолитография для вскрытия окон под контакты к областям стока, истока и диффузионным шинам; 7 — нанесение пленки алюминия н фотолитография для создания рисунка раз­водки; в — нанесение пассивирующего слоя ФСС с последующим фотолитографическим вскрытием окон над контактными площад­

ками и областями скрайбирования

59

р-п-перехода л'/= (1 ,0±0 ,2 ) мкм; для р+-области ps =40-f-60 Ом/П,. Xj— (1 ,5±0 ,3 ) мкм; области р-карманов, являющиеся как бы под­ложкой /г-канального транзистора в КМ ДП -И М С, легированы до. концентрации 2 - 1016 ат/см3 и имеют значение Xj= (6 ± 1) мкм; плен­ки поликристаллического кремния толщиной ^ 0 , 5 мкм, используе­мые в качестве проводящпх шнн, имеют ps=£$50 Ом/П при легиро­вании их фосфором и p s ^ lO O О м/П при легировании бором. Тол­щина защитного окисла составляет ~ 1 мкм, толщина подзатворно- го окисла, получаемого методом термического окисления в сухом, кислороде, 0,07— 0,10 мкм.

§ 2.4. Основные параметры МДП-структури МДП-транзисторов

Д ля удобства проектирования М Д П -И М С целесообразно рас­смотреть электрофизические параметры исходной полупроводнико­вой (кремниевой) подложки, а также конструктивные и электриче­ские параметры М ДП-трапзисторов и их связь между собой.

К электрофизическим параметрам кремния, влияющим на х а ­рактеристики МДП-структур, относятся: тип электропроводности п (р ); концентрация примеси в пластине N 0, см“ 3 или удельное объ­емное сопротивление ру, Ом-см; подвижность носителей заряда в канале j.in или ,up, см2/ (В - с ) ; концент­рация поверхностных состояний N пов, см-2 ; диэлектрическая проницаемость£п.

Основными конструктивными п ар а­метрами М Д П -транзистора (рис. 2.6) являются: длина канала /к, мкм; шири­на канала Ьк, мкм; толщина затворного диэлектрика /гд, мкм. Остальные кон­структивные параметры [размеры з а ­твора, областей стока (истока), толщи­на стока (истока) и т. д.] являются вспомогательными и определяются при проектировании по технологическим ограничениям на размеры М Д П -струк­тур (см. табл. 2 .1).

К основным электрическим п ара­метрам и характеристикам М Д П -тр ан ­зисторов относятся: стоковая характе­ристика / с = / ( ^ с ) при ^ 3 = const; стоко-затворная характеристика I c = f{ U з) при Uc = const; пороговое напряжение U0, В; крутизна 5,. А/В, и удельная крутизна S 0, А/В2; дифференциальное сопротивле­ние канала R K, Ом; входное сопротивление R BX, МОм; паразитные межэлектродные емкости Сзп, С3ц, Сзс, ССц, Сип, ССц, пФ; постоянная времени канала тк, не.

Д,| л и 3- с ^

■ ^11 П+ 1 T n U i \i р

1

Рис. 2.6. К определению кон­структивных параметров М Д П -

транзнстора

61

Рассмотрим параметры Uо, 5 , So и R K на основе анализа стоко­вых и стоко-затворных характеристик М Д П-транзистора без учета токов утечки в схеме включения с общим истоком (рис. 2.7, а ) , как наиболее распространенной в цифровых ИМС.

Семейство стоковых характеристик п- и р-канальных М ДП-тран- зисторов приведено на рис. 2.7, б. Условно их можно разделить на

и3о \ \

и * ---- Л

UP >U32У

Г“сн

U„ . и .

а) 6) б)

Рис. 2.7. Схемы включения (а), стоковые (б) и стоко-затворные (в) статические характеристики п- и р-канальных М ДП-транзисторов

два участка: крутой и пологий, где наблюдается насыщение стоко­вого тока / с при достаточно большом стоковом напряжении UQ. Границу насыщения характеризуют напряжением насыщения

U m = U 3- U Q (2.1)

(знаки при U3 и U0 соответствуют типу электропроводности инду­цированного канала).

Семейство стоко-затворных характеристик приведено на рис.2.7, в. Н ачало всех характеристик соответствует пороговому на­пряжению Uq. При стоковых напряжениях, соответствующих реж и­му насыщения (Uc^ U c u ) , характеристики практически сливаются.

Аналитическое выражение стоковой характеристики имеет вид

/ с = |лСзо6к- [2 U C{U3 — С/о)— U с] при L/c ^ L f 3 — U 0 (крутой участок),

21к . ( 2 .2 )

/ с_ v-C3r)bK :Qrj3— L/Qy при U c y > U 3 — U Q (пологий участок),

(2-3)где Сзо — удельная емкость затвора относительно канала, опреде­ляемая по формуле

£ 3о= £ о£д//гд (2-4)(ед — диэлектрическая проницаемость затворного диэлектрика).

Усилительные свойства М ДП-транзистора характеризуются крутизной стоко-затворной характеристики:'"-

5 = - ^dU з

62

Продифференцировав выражения (2 .2 ), (2.3), получим значе­ния крутизны для крутого и пологого участков стоковой характери­стики соответственно:

при U c (2.5)

S = - ^ f ^ ( U , - U „ ) = S , ( U !>- U a) при U C > U 3- U 0, (2.6)

где S 0 — удельная крутизна.Из выражений (2.5), (2.6) видно, что крутизна М Д П -транзисто­

ра линейно зависит от напряжения на электродах и не является од­нозначным параметром. Д ля ее определения необходимо об яза­тельно оговорить режим работы, т. е. напряжения. Поэтому для х а ­рактеристики параметров М Д П-транзистора целесообразнее ввести удельную крутизну, которая выражается через электрофизические и конструктивные параметры МДП-структуры:

S Q = \)-C3QbtJ lK. (2.7)

Аналогично, дифференцируя выражение (2.2), можно опреде­лить сопротивление канала для крутого участка характеристики:

R K — ----- ----- = ------------ ----------- при £/(.■<£/3 — U Q. (2.8)д / с/ д и с S 0 (U3 - U i - C f о) и • 3 v '

Д л я определения сопротивления канала в пологой области сто­ковой характеристики существует эмпирическая формула

4 = ------^ --------— , (2.9)s a( U , - u 0r

где So' — удельная крутизна, вычисляемая опытным путем; п = = 1-1-2 — коэффициент, зависящий от технологии изготовления.

Пороговое напряжение связано с электрофизическими парамет­рами МДП-структуры соотношениями

£ /0= — (|?мп| + -% ^ — 1— —— j-2^ ] для р-канального транзистора,\ С 3q С 30 7

(2.10)

U о = — | ?мп| — _|— — 1~2оФ. для «-канального транзистора.^зО зО 1 (2.11)

Здесь фмп — разность потенциалов, определяемая разницей в рабо­тах выхода полупроводника п материала затвора, в частности ме­талла (в случае алюминиевого затвора эту величину определяют по графику рис. 2.8 по известной концентрации примесей в полу­проводниковой пластине Ао и типу ее электропроводности); QSSr Qп — соответственно плотности заряда поверхностных состояний на границе полупроводника и диэлектрика и пространственного зар я­да в полупроводнике.

63

Плотности зарядов определяют по выражениям

QsS = <jN u ов> (2 .1 2 )

Qtt = V 2 e 0saN Q r (2.13)гд е q — заряд электрона; фф. — потенциал, зависящий от положе­н и я уровня Ферми в полупроводнике относительно середины з а ­прещенной зоны:

? ф , - = ? т I n А ^ о / / / ( 2 . 1 4 )

где фт — температурный потенциал ( ~ 0,026 В); щ — собственная концентрация носителей в полупроводнике, равная для кремния •2-1C10 с м -3.

Из сравнения формул (2.10), (2.11) видно, что пороговое н а ­пряжение /г-канального транзистора ниже, так как два последних

слагаемых меняют знаки на обратные. Су­щественным резервом снижения пороговых напряжений является уменьшение разности потенциалов фмп за счет подбора материала затвора и уменьшения плотности поверхно­стных состояний N нов, которая зависит от качества поверхности и ее ориентации отно­сительно плоскостей кристаллической (ре­шетки.

Д ля определения паразитных емкостей и входного сопротивления необходимо снова обратиться к конструкции МДП-транзисто- ра, представленной на рис. 2 .6. К ак видно из рисунка, входное сопротивление R B% р ав ­но сопротивлению утечки конденсатора з а ­

т в о р — сток (исток) или затвор — подложка и достигает десятков— сотен мегаом.

Паразитные межэлектродные емкости М ДП-транзистора зави- •сят от геометрических размеров стока, истока, затвора и определя­ю тся (при симметричном расположении стока и истока) по форму-«Л ЭМ'

емкость затвор — сток (исток)

^зн = зс = СзО к (^3 — ^к)/2 , (2.15)емкость затвор — подложка

^зп С ,$ЬК1 (2.16)емкость сток (исток) -^ п о д л о ж ка

Ссп = Сцп = С/'о ]ЬК1С + 2 (bK - j- /с) hj] , (2.17)

емкость сток — исток

С си— CcuCttJ\Pcn 4" Сип) = Сс11/ 2. (2.18)

В схеме с общим истоком (рис. 2.7, а)

Ссп ~ Ссп. (2.19)

N, СМ-3

1п

Р и с . 2.8. Зависимость разности ■ потенциалов

д л я системы А1—Si ■-от концентрации примеси

в кремнии

«54

Удельную емкость обратно смещенного перехода сток — подлож­ка Cj о определяют по эмпирической формуле

С ,] о- V- 2?5де0ЛГ0 (2.20)

где £/дПф — диффузионный потенциал перехода сток — подложка ( —• 0,7 В); Ucmin — минимальное напряжение стока.

При проектировании цифровых М Д П -И М С удобнее оперировать входной и выходной емкостями М ДП-транзистора, которые легко выразить через межэлектродные емкости для схемы с общим исто­ком:

С,«=С,„ + С„„ (2.21)С т = С „ . (2.22)

Быстродействие М ДП-транзисторов ограничивается временем релаксации заряда в активной области транзистора, которое х ар ак ­теризуют постоянной времени канала тк:

*к == с зЛ ,

П одставляя сюда значения из выражений (2 .8), (2.7), (2.16), получим

при U c < £ / 3— £/0. (2.23J

Постоянная времени канала, равная 10- 9— 10-10 с, много мень­ше постоянных времени внешних цепей транзистора, которыми и определяются частотные характеристики М ДП-ИМ С.

Рассмотренные параметры М Д П -транзистора отражены на эк ­вивалентной схеме рис. 2.9, а, где через Rim и Я Сп обозначены со-

з о

жто)

Рис. 2.9. Эквивалентные схемы МДП-транзисторов: а — полная; б — упрощенная (для аналитических расчетов)

противления закрытых р-п-переходов исток— подложка и сток — подложка. Д ля аналитических расчетов в статическом режиме мож ­но использовать упрощенную схему (рис. 2.9, б), полученную путем объединения выводов истока и подложки в пренебрежении инер­ционностью канала.3—449 65

§ 2.5. Режимы работы и связь между конструктивными и электрическими параметрами МДП-транзисторов в цифровых ИМС

Цифровые М Д П -И М С предназначены для выполнения опреде­ленных логических функций. Базовой логической схемой для по­строения этих ИМС является и н в е р т о р , выполняющий логиче­скую функцию инвертирования входного сигнала (операцию Н Е ) .

Д ля установления связи между конструктивными и электриче­скими параметрами М ДП-транзисторов цифровых М Д П -И М С м а­лой и средней степеней интеграции достаточно рассмотреть стати­ческий и динамический режимы работы трех наиболее распростра­ненных инверторов, которые отличаются схемой включения нагрузочного транзистора. Схемы, где нагрузочный транзистор вы­полняет функцию резистора, относят к инверторам с пассивной на­грузкой, а схемы, где он выполняет функцию активного элемента,— к инверторам с активной нагрузкой.

Статический режим работы инвертора с пассивной нагрузкой.Простейшей инвертирующей схемой на М Д П-транзисторе являет­ся инвертор с пассивной нагрузкой (рис. 2.10). В нем в качестве н а­грузки используется М ДП-транзистор Т\ (в дальнейшем просто на­грузочный транзистор) с каналом того же типа, что и ключевой транзистор-7Y Рассмотрим вначале более простой случай, когда на­грузочный транзистор Т\ включен как нелинейный двухполюсник (затвор объединен со стоком). Вольт-амперной характеристикой

такого двухполюсника является геометрическое место точек, в ко­торых выполняется условие UC= U 3. Она представляет собой п ара­болу, описываемую выражением

целиком лежащ ую в пологой области стоковых характеристик (кри­вая 1 на рис. 2.11).

Основной статической характеристикой инвертора является его

Рис. 2.10. Схема инвер­тора с пассивной на­

грузкой

Рис. 2.11. Вольт-амперные характери­стики нагрузочного транзистора:

/ - 1/ , 2 - и з= и я п1 + и0; 3 - u e>u,.m+U'

I c = S j 2 ( U a - U & ,

66

передаточная характеристика £/Вых=/(£Лзх), по которой легко рас­считать остальные статические характеристики схемы: амплитудулогического перепада (U вых max— ^ в ы х т1п), ц потребляемую мощность, статическую поме- цШ хоустойчивость. _ и'п

Рассмотрим передаточную характеристи­ку инвертора (рис. 2.12). При этом будем uM~uoi считать пороговые напряжения ключевого Т2 и нагрузочного Т { транзисторов одинако- и%ш выми: U0l = U02 = U0, что характерно для схем в интегральном исполнении. Влияние подложки полагаем пренебрежимо малым, что хорошо выполняется для низколегиро­ванной подложки с концентрацией примеси не более 1015 см-3. В общем случае на пере­даточной характеристике можно выделить три участка. На участке А В ключевой транзистор закрыт, а напря­жение на выходе инвертора

^6х Uo2 ^вх ^Sx

Рис. 2.12. Передаточнаяхарактеристика инверто­ра с нелинейной нагруз­

кой

и въ и л,п- и ^ и л л - и , . (2.24)

Участок В С является переходным, где оба транзистора, Т \ к Т 2, открыты и работают в пологой области стоковых характеристик. На участке CD рабочая точка ключевого транзистора Т2 переходит в область стоковых характеристик с большой крутизной.

Закон изменения выходного напряжения для участка CD мож ­но получить из условия равенства токов транзисторов Т\ и Т2:

So, (У„.„ - u m - и „у= S 02 [2 U m (£/„ - и ,) - u L J .Отсюда i

^и.п + rnUm — ( m + 1) 6 0 — m + 1

— VWvi.n + rn(fBX — (m + 1)У0]2 — (m + 1) — Up)2m + 1

(2.25)

где m — S 02/ S Qi — отношение значений удельной крутизны транзисто­ров инвертора.

Обычно статический режим инвертора рассчитывают так, чтобы при заданных значениях

получились выходные напряжения, ствам

(2.26)

удовлетворяющие неравен-

^ Вых1> ^ в ы х , и лыа <£/2ы*. (2.27)

П одставляя вторые неравенства (2.26), (2.27) в (2.25), получим выражение для расчета отношения значений удельной крутизны

з* 67

ключевого н нагрузочного транзисторов, при котором выполняется заданный статический режим:

________ . ( 2 .2 8 )

Если концентрация примесей в подложке больше 1015 см-3, то необходимо учитывать влияние подложки. Из схемы рис. 2.10 вид­но, что между истоком и подложкой нагрузочного транзистора Т\ имеется разность потенциалов, которая изменяет пороговое напря­жение транзистора U0u а следовательно, и выходное напряжение, определяемое выражениями (2.24), (2.25). Тогда выходное напря­жение инвертора с учетом влияния подложки и первого неравен­ства (2.27) можно рассчитать по формуле

< и „ х - K J J m = U m (1 - /<•„), (2.29)

где Uвых — напряжение без учета влияния подложки (2.24);

Kn = b l V Un.n — Uo — tV U n .n — Uo — коэффициент влияния под­

ложки; »— V ' 2soEnWVo/C3o — постоянная величина для данно­го транзистора.

Влияние потенциала подложки на характеристики М ДП-тран- зистора заключается в том, что его изменение модулирует толщи­ну области объемного заряда (см. рис. 2.2, а) и, следовательно, канала, изменяя ток стока / с. Таким образом, подложка является как бы вторым затвором в М ДП-транзисторе.

Статический режим работы инвертора с пассивной нагрузкой и двумя источниками питания. Д ля повышения быстродействия на затвор нагрузочного транзистора часто подают напряжение от от­дельного источника питания /ц.п2> ^ и . п 1 + ^о (рис. 2.13). При

ии.Пг 9

Выход—О

Вых

> у

Рис. 2.13. Схема инвер­тора с пассивной нагруз­кой и двумя источника­

ми питания

Рис. 2.14. Передаточная характеристика инвер­тора При £/и.п2 > Уи.щ +

+ t/oiэтом нагрузочная характеристика перемещается в область малых напряжений Uc i и становится более крутой (кривые 2, 3 на рис. 2.11). Статическая характеристика нагрузочного транзистора в этом случае описывается уравнением

/„ 1 = - % - [(У .,,2- u m - £/„)2- (У„.„2- - £/„)*]. (2.30)

00

IN3

68

С повышением напряжения V n.n2 нелинейность этой характери­стики уменьшается и быстродействие схемы в пределе стремится к быстродействию инвертора с линейной нагрузкой (резистором).

Передаточная характеристика инвертора имеет три участка (рис. 2.14), причем на каждом участке нагрузочный транзистор от­крыт, так как t/Il.n2> ^ n .n i+ t /o . На участке А В ключевой транзи­стор Т 2 закрыт и выходное напряжение и вых= и п.п ь Н а участке В С ключевой транзистор работает в пологой области, а на участке C D — в крутой области стоковой характеристики. Приравнивая то­ки транзисторов Т { и Т 2 для участка CD, получим

S o i [ ( ^ И . п 2 — ^ в ы х ~ ^ о ) 2 ~ илг2 — U и.п1 — & о ) 2] =

= 5 K [ 2 i / . „ ( £ / „ - £ / „ ) - i / L ] . (2.31)

Отсюда

ГГ Я г (£ /вх — У р ) + W и.п2 — У р ) — [яг (^ в х — У о ) + (Ц-и.п2 — ^ о)]2 — .^ вых . ’ ‘ *т + 1

(яг + I) [(Uи.„2 — U q) 2 — ( U и.п2 — Cf0 — U и.п1)2]

т + 1

В формулах (2.30), (2.31) при необходимости можно учесть влияние подложки путем уменьшения напряжения и ял2 на величи­ну ЯпУвых, эквивалентную повышению порогового напряжения на­грузочного транзистора Т\. Д л я упрощения расчетов можно под­ставить в . (2.31) вместо Un.n2 значение UnM2— (KnUn.ni)/2, достаточно точное для середины диапазона изменения выходного напряжения.

Обычно статический режим инвертора с двумя источниками пи­тания рассчитывают аналогично схеме с одним источником (см. рис. 2.10). Подставляя вторые неравенства (2.26), (2.27) в (2.31), получим выражение для расчета отношения значений удельной кру­тизны ключевого и нагрузочного транзистора, при котором выпол­няется заданный статический режим:

,п > - ^ и-п2 — ^ ~ . ^ ^ и-п2 : .”1Г^ 0.. )2 . (2.32)"2^ ых( ^ х- ^ о ) - К ых)2

Статический режим работы инвертора с активной нагрузкой.Такая схема инвертора широко распространена в КМ ДП -И М С, где одновременно используются п- и р-канальные М ДП-транзисто- ры. Преимуществами подобных инверторов являются отсутствие потребления мощности от источника питания в статическом режиме и лучшая форма передаточной характеристики.

Схема инвертора и его стоковые характеристики приведены на рис. 2.15, а, б. К ак видно, затворы нагрузочного р-канального тран­зистора Ti и ключевого я-канального транзистора Т2 соединены вме­

69

сте, а исток каждого транзистора объединен с подложкой. Выходом инвертора являются объединенные стоки. При таком включении ключевой и нагрузочный транзисторы работают в противофазе, т. е. запирание одного связано с отпиранием другого и наоборот, что улуч­шает быстродействие. Противофазный режим можно объяснить тем, что в схеме всегда выполняется условие UMx-\-U3vl2 — Utt,n, так что уменьшение напряжения £/зи одного из транзисторов приводит к увеличению напряжения и зи другого.

Рис. 2.15. Инвертор с активной нагрузкой:а — электрическая схема; 6 — стоковые характеристики в открытом (А) и закры­

том (Б) состояниях; в — передаточная характеристика

Рассмотрим передаточную характеристику инвертора (рис. 2.15, в) . Параметры транзисторов будем считать одинаковыми, а токи утечки— пренебрежимо малыми. Пусть напряжение питания связано с пороговыми напряжениями транзисторов неравенством

Тогда при 0 < U BX<Uo2 транзистор Т2 закрыт, транзистор Т\ от­крыт и выходное напряжение и вых— и и.п. При увеличении UBX от U02 до и ал— U01 происходят плавное запирание транзистора Т\, от­пирание транзистора Г2 и уменьшение напряжения UBых. При UBX= = £Ai.n— £Лн транзистор Т\ окончательно запирается и L/Bы х = 0.

В заключение отметим, что инвертор может работать и при Un.n< | £Лп | + U02, однако этот режим приводит к увеличению вре­мени переключения, так как в течение части его оба транзистора Т х и Т2 будут закрыты. Но, с другой стороны, он дает экономию в потребляемой инвертором мощности.

Обычно статический режим инвертора рассчитывают так, чтобы при условиях (2.26) выполнялись неравенства (2.27). В силу спе­цифики работы инвертора с активной нагрузкой для этого доста­точно проверить неравенство (2.33).

Статическая помехоустойчивость инвертора. Статическая поме­хоустойчивость £/пом характеризуется максимальным напряжени­ем статической помехи, действующей на выходе или входах инвер­тора, но не нарушающей его нормального функционирования.

liВ)

£ / и . п > I tfoi I + ^ 02- (2.33)

70

Помехоустойчивость определяют из соотношения

£ / n0M= m i n </ / +ПО»

U noi(2.34]

где U пш • — допустимые значения положительной и отрица­тельной статических помех.

Значения статических помех можно определить по передаточной характеристике рис. 2.15, в или по формулам

и ^ = и 02- и °вх»и -

(2.35)

(2.36)

При расчете статического режима инвертора для обеспечения заданной помехоустойчивости в рабочем диапазоне температур ИМ С пороговые напряжения ключевого и нагрузочного транзисто­ров необходимо определять (при Uq\ — Uq2 =Uq) п о выражению

,/у°(2.37)^пом

(£/0-ТК£/0Л7\)У ™ - ( У о + т к г / 0л П ) ,

где ТК ^о — температурный коэффициент пороговых напряжений ( ^ 4 мВ/°С) ; AT'i T'max—T’komhJ А7’2=7'комн — Т mini Т коми — + 20° С.

Динамический режим работы инверторов. Анализ динамическо­го режима работы рассмотренных схем инверторов проведен при следующих условиях:

а) входное напряжение изменяется скачкообразно от £/вхшщ ДО U вх m a x ’)

б) нагрузка имеет чисто емкостный характер и равна С п' — = СН+Свых~Си, где Свых — выходная емкость инвертора.

Схема включения источника входного напряжения и конденса­тора нагрузки для оценки быстродействия инвертора с нелинейной

uu (t)

ГНtm^tsb/M/2

Е Ёо

Рис. 2.16. Схема включения (а) и временные Рис. 2.17. К определе-днаграммы работы инвертора (б) в динамическом нию быстродействия ин-

режиме вертора

нагрузкой приведена на рис. 2.16, а, а соответствующие ей времен­ные диаграммы — на рис. 2.16, б. Обычно быстродействие инверто­ра оценивают временами включения tm a , выключения tVbWn и за-

71

держкн распространения сигнала /зад, уровни отсчета которых у ка­заны на рис. 2.16, б. Очевидно, быстродействие инвертора будет определяться временем перезаряда конденсатора Сш которое, в свою очередь, определяется средним значением емкостного тока ic .

При скачкообразном входном сигнале рабочая точка инвертора перемещается по траекториям, отмеченным на рис. 2.17 цифрами 1 — 2 — 3 при выключении (соответствует запиранию транзисто­ра Гг) и 3 — 4 — 1 при включении (соответствует отпиранию тран­зистора Т2). В этом случае быстродействие инвертора можно оце­нить по площади, расположенной под нагрузочной статической характеристикой при выключении, и по площади между нагрузоч­ной и стоковой характеристиками ключевого транзистора при вклю­чении. Действительно, как видно из рис. 2.17, эти площади пропор­циональны средним значениям токов заряда и разряда конденсато­ра нагрузки: t’c 3ap=fn , icpa3P= i c — in- Чем больше площади, тем больше средние значения емкостных токов и тем быстрее протекают переходные процессы. Так как площадь, соответствующая разряду конденсатора нагрузки, на рис. 2.17 больше площади, соответству­ющей его заряду, то время включения инвертора tBкл всегда меньше времени выключения /Выкл. Поэтому ограничимся расчетом большего времени £Выкл.

Расчет времени выключения /ВЫкл легко провести при скачкооб­разном входном сигнале, составив дифференциальное уравнение заряда конденсатора нагрузки С„ током i ( t ) нагрузочного транзи­стора:

Д л я решения уравнения (2.38) в его правую часть нужно под­ставить в случае инвертора с пассивной нагрузкой уравнение тока(2.3 ), в случае инвертора с пассивной нагрузкой и двумя источни­ками питания — уравнение тока (2.2), а в случае инвертора с ак ­тивной нагрузкой — оба уравнения тока (2.2), (2.3).

Д алее приведены решения уравнения (2.38) для различных ти­пов инверторов в виде выражений для времен выключения ^выкл- Сюда включены выражения для сложных схем инверторов с пас-

a t(2.38)

сивной (рис. 2.18, а, б) и с активной (рис. 2.19, а, б) нагрузками. Эти схемы имеют расширенные фун­кциональные возможно­сти, выполняя логические функции И Л И — НЕ и

Вход пE/.SS л gо —

5

Рис. 2.18. Сложные схемы ин­верторов с пассивной нагруз­

кой:О

а — элемент ИЛИ — НЕ; б — элемент И—НЕ&}

72

И — НЕ, и отличаются от простых инверторов параллельным или последовательным включением нескольких ключевых и нагрузоч­ных МДП-транзисторов.

Д ля инвертора с пассивной нагрузкой (см. рис. 2.10, 2.18, а , б), _ ______18СН______выкл~ S0l{CIH.u- C I 0)

(2.39)

Вход по- -Н Тпп Вход 2\

Выход

а)

Тп+,

5)Рис, 2.19. Сложные схемы инверторов с активной нагрузкой:

а — элемент ИЛИ—НЕ; б — элемент И—НЕ

Д ля инвертора с пассивной нагрузкой и двумя источниками пи­тания (см. рис. 2.13, 2.18, а, б)

ВЫКЛ---'С„ 9 ( 2 - 1,9/С)

где■Sqi (1 — К) (Ии.п2 — Ud)j 2,0 - 1,1 к >

К — H .n l / ( ^ H.n2 CJQ).

^выклС„

•501 ( И.п tf0)

по схеме рис. 2.19, а

In (2 0 /С -1)

^выклпС«

5 q i { U и.п — ^ о )In (20ЛГ — 1) 4-

0 ,9 — К

0 ,5 К

0 ,9 — /С

0,5/С

(2.40);

Д л я инвертора с активной нагрузкой по схемам рис. 2.15, а, 2.19, б

(2.41)

(2.42)

где п — число последовательных нагрузочных транзисторов; К — = (Un.n- U 0) /U a.n.

Работа инверторов в цепочке. Одиночный инвертор использует­ся довольно редко. К ак правило, он работает в составе сложных логических схем. При этом к инвертору предъявляются требования согласования электрических уровней с соседними каскадами для передачи двоичной информации и обеспечения заданного быстро­действия.

73

Обычно согласование электрических уровней обеспечивается пу­тем запирания последующего инвертора при открытом предыдущем и наоборот. Д ля цепочки инверторов на М ДП-транзисторах (рис. 2.20) вследствие непосредственной связи между ними усло­вие согласования обеспечивается, если

и ^ > и а, (2.43)

У .ы „ ш < У о , (2.44)

где Uвых min — минимальное напряжение на выходе открытого ин­вертора.

При проектировании инверторов, работающих в цепочке, длявыполнения условия (2.43) требуется правильный подбор напряж е­

ния источника питания, а для выпол­нения условия (2.44) необходимо рас­считать отношение значений крутиз­ны ключевого и нагрузочного транзи­сторов по формулам (2.28), (2.32). При проектировании цепочки инверторов с активной нагрузкой достаточно выпол­нить только условие (2.43).

Обеспечение заданного быстродей­ствия в цепочке инверторов достигает­

ся путем равномерного распределения задерж ек между каскадамипо формуле

*Вы кл= 2/зад/я , (2.45)где £зад — требуемая задерж ка распространения сигнала (задается Т З ) ; п — количество последовательно включенных инверторов.

Емкость нагрузки выходного инвертора обычно задается, а ем­кость нагрузки промежуточного инвертора Си принимают равной входной емкости последующего инвертора С Вх и собственной вы­ходной емкости Свых:

Ся = СВус С вых= С ЗИ2 —{— Сзп2 ~Ь- СЗС<)КtA~\- С Мет .п1 ~Ь ^сп2* (2.46)

г д е / С м = 5 о2/5 о1 — коэффициент М иллера; С мет — емкость конден­сатора, образованного проводником, соединяющим каскады, и под­ложкой.

Однако определение С„ по формуле (2.46) невозможно, так как последние три слагаемых неизвестны и могут быть определены только после разработки эскиза топологии ИМ С в целом. Поэтому д л я предварительного расчета целесообразно выбирать

С’я= 1,0-s- 1,5 пФ, (2.47)а в процессе поверочного расчета уточнить это допущение.

Расчет динамического реж има работы инвертора проводят так, чтобы при заданном времени задерж ки сигнала £эаД и емкости на­грузки Св в любых реж имах работы выполнялось неравенство

*ааж<ЛСкд/2. (2.48).

Рис. 2.20. Цепочка инверторов с пассивной нагрузкой

74

Условие (2.48) выполняется в том случае, если удельную кру­тизну нагрузочных транзисторов инверторов рассчитывать по фор­мулам (2.39) — (2.42) в зависимости от схемы*, а время выключе­ния — по выражению (2.45).

На основании анализа статического и динамического режимов работы различных типов инверторов удалось установить важ ней­шие связи их конструктивных и электрических параметров:

1) расчет толщины затворного диэлектрика /гд производят по формулам (2.4), (2.10), (2.11) и (2.37) из условия получения задан ­ной статической помехоустойчивости;

2) удельная крутизна Soi нагрузочного транзистора, рассчиты­ваемая по формулам (2.39) — (2.42), из условия получения задан­ного быстродействия однозначно определяет отношение ширины канала М Д П-транзистора к его длине bKi/lKi\

3) расчет геометрии ключевого транзистора (отношения производят по формулам (2.28), (2.32) из условия обеспечения з а ­данных выходных напряжений инвертора в статическом режиме.

§ 2.6. Конструирование транзисторови топологии кристалла МДП-ИМС

При разработке М ДП-транзисторов конструктор должен стре­миться к повышению удельной крутизны So при работе в активном режиме, снижению порогового напряжения Uо, уменьшению зани­маемой площади и паразитных емкостей. Конечной целью является увеличение быстродействия и степени интеграции при заданной по­требляемой мощности. Техническая противоречивость указанных требований (особенно первого и третьего) заставляет конструктора идти на определенные компромиссы и делает его труд творческим.

Требование уменьшения площади, занимаемой отдельным М Д П - транзистором и микросхемой в целом, приводит к разработке кристалла минимально возможной площади. Однако существует предел возможностей той или иной технологии, связанный с мини­мальным геометрическим размером (см. § 1.4) и точностью его вы­полнения. Поэтому при расчете и выборе конструктивных парам ет­ров М ДП-транзисторов и других элементов схемы следует учиты­вать технологические ограничения на размеры МДП-структур, ко­торые приведены в табл. 2.1.

Проектирование топологии М Д П -И М С средней и большой сте-. пеней интеграции имеет некоторые особенности. В частности, мето­ды проектирования топологии можно подразделить на два в зави ­симости от того, из каких элементов создаются эти ИМС:

1) совокупности типовых элементов — МДП-транзисторов;2) совокупности типовых логических элементов и блоков (вы­

ходных и промежуточных инверторов, триггеров, регистров и т. д .).Первый метод совпадает с методом проектирования ИМС малой

степени интеграции и позволяет получить наибольшую плотность размещения элементов на кристалле. Однако затраты времени при этом велики.

78

Технологические ограничения на размеры МДП-структурТ а б л и ц а 2.1

Чертежи топологииНаименование элемента топологии,

наименование и обозначение размера

р-канальный МДП-тран­зистор с алюминиевым затвором

п-канальный МДП-тронзис- тор с кремниевым затвором

Исток Затвор Сток Охранное кольцо

Толщина затворного диэлектрика (SiCh) Лд, мкм Толщина толстого диэлектрика ( S i 0 2) Лтд, мкм Толщина металлизации (алюминия) Лм, мкм Толщина кремниевого затвора Лп.к.з, мкм Толщина межслойной изоляции (ФСС) Лм.и, мкм Толщина пассивирующего слоя (ФСС) Лпс, мкм Толщина стоков, истоков, диффузионных проводни­

ков h j, мкмТолщина p -областей для формирования я-канальных

транзисторов КМ ДП -И М С hi, мкм М инимальная длина алюминиевого (кремниевого) з а ­

твора /з, мкмПерекрытие областей стока (истока) алюминиевым

(кремниевым) затвором £, мкм М инимальное расстояние от края контактного окна

до края стока (истока), диффузионного проводника кремниевого затвора а, мкм

Минимальный размер контактного окна к стоку (исто­ку), диффузионному проводнику и кремниевому за ­твору сХ с, мкм

Минимальное расстояние от затвора до края контакт­ного окна к стоку (истоку) d, мкм

Перекрытие области канала затвором на его конце е, мкм

Минимальное расстояние между соседними стоковыми (истоковыми) областями и диффузионными проводника­ми /, мкм

Вид технологии

/г-М ДП л-М ДП КМДП

0,07— 0,10 О 0 1 о :5*0 ,11,0 1,0 1,01,2 1,2 1,2— 0,5 0,5— 1,0 1,01,0 1,0 1,01,5 1,0 1,0 (п+)

1,5 (р+)--- — 6,0— 7,0

12' 5 5

2,0 0,8 1,0

4,0 2,0 2,0

6 X 6 5 X 5 5 X 5

10,0 4,0 4,0

3,0 2,0 До охран­ного кольца

(А1)2,0 (Si)

10,0 5,0 5,0

Продолж ение табл. 2.1

Чертежи топологии ■Наименование элемента топологии, наименование и обозначение размера

Вид технологии

р-М Д П л-М ДП КМДП

Диффузионныепроводники

(3*

ПоликремпиеВыепроводники

ш ш н щ : ••

Проводники металлизации

v / A '/ . / s ? / / / / ; / / ? . Яf ^ и

Контакт1ные площадки

%

Минимальная ширина диффузионного проводника и охранного кольца g , мкм

Минимальное расстояние меж ду кремниевыми затво­рами к, мкм

Минимальное расстояние между алюминиевыми за ­творами и между проводниками металлизации s, мкм

Минимальная ширина проводников металлизации /, мкм

Перекрытие проводником металлизации контактного окна ко всем областям t, мкм

Расстояние от края кристалла до контактной площ ад­ки и, мкм

Минимальный размер контактной площадки для руч­ной (числитель) и автоматизированной (знаменатель) термокомпрессионной сварки v x v , мкм

Минимальное расстояние меж ду контактными пло­щадками для ручной (числитель) и автоматизированной (знаменатель) термокомпрессионной сварки w, мкм

Расстояние между контактными площадками и други­ми элементами схемы х, мкм

8,0 5,0 5,0

— 4,0 4,0

8,0 5,0 5,0

8,0 5,0 5,0

3,0 2,0 2,0

5? 50

5 0 X 5 0

50

20

150X 150

70

Второй метод предполагает использование топологии логических элементов или блоков, спроектированных ранее. Д ля рационально­го использования площади кристалла топологию типовых элемен­тов и блоков проектируют в виде прямоугольных ячеек равной вы­соты. Проектирование включает размещение типовых элементов или блоков и трассировку соединений между ними. Данный метод ускоряет процесс проектирования топологии, но приводит к увели­чению площади кристалла и ухудшению параметров ИМС.

Находит применение и комбинированный метод разработки то­пологии М ДП -И М С, в котором сначала разрабатывается тополо­гия типовых логических элементов с последующим их размещени­ем на плоскости кристалла.

Курсовое проектирование М Д П -И М С охватывает схемы малой и (реже) средней степеней интеграции. При этом наиболее прием­лемыми являются первый и комбинированный методы проектирова­ния топологии.'

Разработку эскиза топологии кристалла целесообразно начи­нать с конструирования отдельных элементов, к которым относятся ключевые и нагрузочные М ДП-транзисторы, охранные диоды и кольца. Затем производят рациональное размещение этих элемен­тов на кристалле с одновременной прокладкой диффузионных шин и металлической разводки. Н а периферии кристалла размещ аю т внешние контактные площадки для соединения с выводами корпу­са и фигуры совмещения.

Конструирование МДП-транзисторов, работающих в активном режиме. Д ля транзисторов, работающих в активном режиме (к ним относятся ключевые транзисторы всех инверторов и нагрузоч­

ный транзистор инвертора, изо­браженный « а рис. 2.15), с целью получения малых паразитных межэлектродных емкостей необхо­димо выбирать по табл. 2.1 мини­мальную длину канала, обуслов­ленную технологическими ограни­чениями:

, = / 3- 2/, (2.49)

и подгонять отношение ширины и длины канала bKflK,TeXB к требуемо* му значению удельной крутизны S 02, рассчитанному по формулам (2.28), (2.32). Остальные конст­руктивные параметры транзисто­ра (размеры областей стока, ис­тока, затвора, контактных окон

и т. д.) выбирают в соответствии с технологическими ограничения­ми (см. табл. 2.1). Там ж е представлены чертежи топологии М Д П - транзисторов с каналами разных типов электропроводности.

Рис. 2.21. Чертеж топологии М ДП- транзистора с П-образным каналом

78

В случае, когда ЬкДк.техн^20, рекомендуется П-образная конфи­гурация канала ключевого транзистора (рис. 2.21). Это имеет мес­то при проектировании КМ ДП-ИМ С.

Отдельно следует остановиться на чертежах топологии М Д П - транзисторов для сложных схем инверторов, где требуется обеспе­чивать последовательное или параллельное соединение ключевых транзисторов. Д л я повышения степени интеграции допускается объединение областей стоков или истоков, как это сделано на рис. 2.22, а, б\ 2.23, а, б.

м, с„иг

T 2EJ х У 1 )3’ . ° ч

Рис. 2.22. Чертеж топологии (а) и электрическая схема (б) после­довательного включения МДП-

транзисторов

и„игб)

Рис. 2.23. Чертеж топологии (а) и элект­рическая схема (б) параллельного вклю­

чения МДП-транзисторов

Конструирование М ДП-транзисторов, работающих в пассивном режиме. К ним относятся нагрузочные транзисторы инверторов с пассивной нагрузкой типа изображенных на рис. 2.10, 2.13. У таких транзисторов значение удельной крутизны Soi может быть малым, и для уменьшения площади, занимаемой элементом, целесообраз­но выбирать минимальную ширину канала, обусловленную техно­логическими ограничениями согласно табл. 2 .1:

2a - j - c д ля прямоугольнойформы стока (истока),

g для ступенчатойформы стока (истока).

(2.50)

Д лину канала подгоняют в целях получения отношения Ьк.техв/1к, соответствующего требуемому значению удельной крутизны Sow рассчитанному по выражениям (2.39), (2.40). Остальные конструк­тивные параметры выбирают в соответствии с технологическими ог­раничениями (см. табл. 2.1). Чертеж топологии и электрическая схема нагрузочного транзистора с областями стока (истока) сту* пенчатой формы приведены на рис. 2.24, а, б.

Конструирование охранных диодов. Охранные диоды использу* ются во входных цепях цифровых комплементарных и обычных М Д П -И М С и предназначены для предотвращения пробоя пленки

79

затворного диэлектрика под действием статического электричества. В качестве примера рассмотрим диодную защитную схему входной цепи инвертора КМ ДП -И М С. Входная цепь, электрическая схема которой приведена на рис. 2.25, состоит из подключенных к входной шине охранных диодов Д \ и Д 2. Как известно, статический заряд, накапливаемый на выводах корпуса ИМ С или инструменте мон-

' нагрузочного р-канального МДП-транзистор а

тажника, может иметь положительный и отрицательный знаки. Положительный заряд «стекает» через диод Д \, а отрицательный — через диод Д 2. Такая схема приводит к уменьшению входного со­противления и появлению входного тока утечки в пределах 0,5—— 1 мкА. Однако динамические параметры схемы при правильном проектировании охранных диодов практически не ухудшаются.

Описанная защ итная схема не допускает подачу на вход на- пряжения и вх> и ж.п, что может привести к протеканию через вход­ную цепь больших токов и разрушению диодов. Поэтому при вклю­чении аппаратуры на К М Д П -И М С с защищенными входными цепя­ми напряжение питания следует подавать раньше входного сигна­ла, а при выключении аппаратуры — снимать позже. Находят при­менение и однодиодные защитные схемы, в которых используется только охранный диод Д 2.

Основными требованиями при конструировании охранных дио­дов являются обеспечение достаточного напряжения пробоя C ^ 2 U n.n), так как в рабочем состоянии схемы на диоды подается обратное напряжение, равное £/„.п, и получение малых паразитных емкостей. Первое требование обеспечивается тем, что одной об­ластью этих диодов служит низколегированная подложка ИМС, а другой — специально формируемые низколегированные участки* Д ля получения малых паразитных емкостей контактное окно к об­ласти диода необходимо разрабатывать с учетом технологических ограничений, указанных в табл. 2.1.

Чертеж топологии охранных диодов Д 2 и Д \ приведен на рис. 2.26. Особенностью топологии является то, что электрический контакт к я-области диода Д \ и p -области диода, осуществляется через подложку.

г. и

Рис. 2.24. Конструкция (а) и электрическая схема (б)

Рис. 2.25. Диодная защитная схема

80

Паразитные МДП-структуры и конструирование охранных колец.В М Д П -И М С активные паразитные эффекты возникают за счет образования паразитных М Д П- и биполярных транзисторов. На рис. 2.27, а , б для примера показана возможность образования па­разитного p -канала, между диффузионными проводниками пита­ния р+-типа, если поперечный проводник металлизации находится под высоким отрицательным потенциалом.

Рис. 2.26. Чертеж топологии охранных диодов

Рис. 2.27. Чертеж топо­логии (а) и электриче­ская схема (б) паразит­ного р-канального МДП-

транзистора

Паразитный р-канал Паразитный

п-канал

щгшр-Т Т Г 7Г 8

п

Основным путем борьбы с паразитными каналами в обычных р-М Д П и л-М Д П схемах является такое повышение пороговых на­пряжений паразитных структур, чтобы выполнялось неравенство(2.51) и структуры не включались при работе схемы. Это достига­ется увеличением толщины изолирующего диэлектрика /гт.д либо дополнительным легированием областей вне основных М ДП-структур (см. рис. 2.4).

Благоприятные условия для образова­ния паразитных каналов имеются в кон­струкции с КМ ДП-транзисторами. Ф раг­мент структуры инвертора с КМ ДП-тран- зисторами показан на рис. 2.28. П аразит­ный p -канал образуется между областя­ми 3 и 6 при отрицательном потенциале относительно подложки 1 на металличе­ском проводнике 4, соединяющем стоки 3 и 8 КМДП-транзисторов. Паразитный п - канал образуется между областями 1 и 8 при положительном потенциале на про­воднике 4 относительно р-кармана. Эти каналы способствуют протеканию токов утечки между транзисторами за счет инверсии электропроводности полупроводникового материала на границе кремний — окисел.

Основным методом устранения паразитных каналов в КМ ДП- структурах является применение охранных колец. Их формируют

Рис. 2.28. Образование па­разитных каналов в инвер­торе с активной нагрузкой:/ — подлйжка; 2, 3 — исток исток р-канального М ДП-транзи­стора; 4 — металлический про­

водник; 5 — п + -охранное коль­цо; 6 — р-карман; 7 — р + .охран­ное кольцо; 8, 9 — сток и исток /г-канального М ДП-транзнетора

81

□ □ □ □ D g s! п ®I U a□ \ Фигуры

совмещения

локальным легированием в процессе формирования стоков и исто­ков р- и /i-канальных транзисторов. При этом каждый р- и п-ка- кальиый транзистор окружаю т охранным кольцом соответственно п+- и р+-типов. Д л я лучшей изоляции на кольцо р+-типа подают самый низкий, а на кольцо п+-ти п а— самый высокий потенциал схемы Пример выполнения чертежа топологии охранногокольца р+-типа показан в табл. 2.1. Н а структуре рис. 2.28 охран­ные кольца 5 (п+) и 7 (р+) размещ аю т в областях образования па­разитных каналов.

Применение охранных колец существенно увеличивает площадь элементов К М ДП -ИМ С, поэтому при проектировании необходимо стремиться к уменьшению их количества, используя одно кольцо на группу транзисторов.

Конструирование эскиза топологии кристалла М ДП-И М С. Р а з ­работку эскиза топологии кристалла производят в такой после­довательности:

1) размещ аю т контактные площадки (КП) по периметру крис­талла (нумерация контактных площадок нарастает против часовой

стрелки от К П ь как показано на------------- '----- 3----- рис. 2.29), способы распознавания КП[

от остальных указаны в гл. 1;2 ) оставляют место >на периферии

кристалла для размещения фигур со­вмещения и тестовых элементов (М ДП -транзисторов);

3) выделяют контактные площадки для подведения цепей питания (£/и.п и «общая»), которые являются неиз­менными для данной серии ИМС;

4) если ИМС содержит ряд одно­типных схем, «ристалл делят на рав ­

ные части (по площади) и проектируют топологию только одной части с последующим размножением;

5) эскиз топологии необходимо начинать с первой контактной площадки, а затем переходить от одного элемента к другому, р аз­мещая соединенные между собой элементы в непосредственной близости друг от друга с учетом технологических ограничений (см. табл. 2.1);

6) в М Д П -И М С с алюминиевыми затворами в качестве развод­ки используют диффузионные проводники и проводники металли­зации, а в М Д П -И М С с кремниевыми затворами — диффузионные проводники, проводники из поликристаллического кремния (как продолжение областей затворов) и проводники металлизации. Д ля увеличения степени интеграции проводники металлизации ж е л а ­тельно размещать перпендикулярно диффузионным и кремниевым проводникам.

! □ и □ ш п □

Рис. 2.29. Пример размещения контактных площадок и фигур

совмещения на кристалле

§ 2.7. Порядок расчета конструктивныхи электрических параметров элементов МДП-ИМС

Порядок расчета транзисторов обычных и комплементарных М ДП -И М С, имеющих различную схемотехническую реализацию, имеет свою специфику.

Типовое техническое задание на разработку конструкции М Д П -И М С в качестве исходных данных включает электрическую схему цифровой ИМС, коэффициент разветвления / ( р а з , емкость нагрузки Са, время задержки распространения сигнала t3ад, на­пряжение источника питания Un.п, выходное напряжение логиче­ского нуля СУвых выходное напряжение логической единицы и1Ых> статическую помехоустойчивость Unом, входную емкость СВх, поро­говое напряжение паразитных транзисторов Uопар, технологию из­готовления ИМС, материал пластины и затворов, концентрацию примеси в пластине No, плотность поверхностных состояний N a0B, подвижность носителей заряда в канале ц, технологические ограни­чения на размеры МДП-структур.

П орядок расчета параметров транзисторов р- и п-канальны х М Д П -И М С (данные ИМС используют инверторы рис. 2.10, 2.13, 2.18):

1) изучают принцип работы ИМС и связи ее электрических и конструктивных параметров по § 2.5;

2) рассчитывают требуемое пороговое напряжение М Д П -тран­зисторов |£70| для обеспечения заданной статической помехоустой­чивости по формуле (2.37) при условии U lx = i f l bix и U l x = U вЫХ,

3) определяют удельную емкость затвора относительно канала Сзо для р- и n-канальных транзисторов по выражениям (2 .10), (2.11);

4) находят толщину затворного диэлектрика Лд по форму­ле (2.4);

5) определяют по схеме ИМС количество последовательно вклю­ченных инверторов п и время выключения каждого инвертора г^ыкл по выражению (2.45);

6) рассчитывают конструктивные параметры выходного инвер­тора:

а) технологическую ширину канала &к1техн нагрузочного тран­зистора по табл. 2.1 и формуле (2.50);

б) удельную крутизну S 0i нагрузочных р- и п-канальных тран­зисторов по формулам (2.39), (2.40) при заданной емкости нагруз­ки Сн;

в) отношение ширины канала нагрузочного транзистора к его длине ЬК1ТехнДк1 по формуле (2.7) при заданных значениях подвиж­ности носителей заряда в канале ц,р или

г) технологическую длину канала /К2техн ключевого М ДП-тран- зистора по табл. 2.1 и формуле (2 .49);

д) отношение значений удельной крутизны ключевого и нагру­зочного транзисторов тп по формуле (2.28) при заданных Umu и U x — I I х •ВХ------ и ВЫХ 1

83

е) отношение ширины канала ключевого транзистора к его длине &к2/^к2техн по величине т\

ж) остальные конструктивные параметры нагрузочного и ключе­вого транзисторов по данным табл. 2.1 с учетом рекоменда­ций § 2.6 ;

7) рассчитывают конструктивные параметры промежуточного инвертора: после определения емкости нагрузки Сн промежуточно­го инвертора по выражению (2.47) ведут расчеты параметров по п. а) , б), в), далее находят отношение значений удельной крутизны ключевого и нагрузочного транзисторов т : для р -кан альн ы х— по формуле (2.28) и для л-канальных — по формуле (2.32) при зад ан ­ных Ua.ni, UЦ.П2, Uвх ~ ^ в ы х и затем конструктивные параметры согласно п. е) и ж ) ;

8) рассчитывают конструктивные параметры входного инверто­ра (порядок расчета полностью совпадает с расчетом промежуточ­ного инвертора).

П орядок расчета параметров транзисторов комплементарных М Д П -И М С с кремниевыми затворами (данные ИМ С используют инверторы рис. 2.15 и 2.19):

1) изучают принцип работы инвертора с активной нагрузкой и связи его электрических и конструктивных параметров по § 2.5;

2) рассчитывают требуемое пороговое напряжение М ДП-тран- зисторов |[Уо| для обеспечения заданной статической помехоустой­чивости по формуле (2.37) при условии U вх =£/вых и £/вх=£/вых;

з) определяют удельную емкость затвора относительно канала Сз0 для р- и n-канальных транзисторов по формулам (2.10), (2.11) при условии фмп=0;

4) находят толщину затворного диэлектрика /гд по формуле(2.4) для р- и /г-канальных структур и выбирают большее значение;

5) проверяют выполнение условия (2.33) для выбранного зн а ­чения толщины затворного диэлектрика /гд;

6) рассчитывают технологическую длину канала нагрузочного транзистора (/К1техн) и ключевого транзистора (/К2техн) по табл. 2.1 и выражению (2.49);

7) рассчитывают удельную крутизну S 0i нагрузочного транзисто­ра по формулам (2.41), (2.42) при заданных значениях Сн и ^выкл = 2 зад в зависимости от схемы инвертора;

8) рассчитывают удельную крутизну S 02 ключевого транзистора по формулам (2.42) или (2.41) при заданных значениях Сн и ^выкл — 2 зад в зависимости от схемы инвертора;

9) находят отношение ширины канала нагрузочного и ключевого транзисторов к его длине 6к1 к 1техн и бкгДкгтехн по формуле (2.7) при заданных значениях подвижности носителей заряда ц р и Цп;

10) определяют другие конструктивные параметры ключевых и нагрузочных транзисторов, охранных колец, диодов по табл. 2.1 с учетом рекомендаций § 2.6.

Расчет паразитных связей и параметров М Д П -И М С . Расчет па­разитных связей и параметров включает проверку наличия п ара­зитных каналов, определение статического коэффициента разветв- 84

лення Краз и времени задерж ки сигнала £3ад с целью контроля вы­полнения условий:

^Опар (2.51)

(2.52)

(2.53)

^раз раз.доп»

Правые части неравенств (2.51) — (2.53) задаю тся в ТЗ, а ле­вые части при проверке необходимо определить расчетным путем.

П роверка наличия паразитных каналов включает:1) анализ эскиза топологии кристалла для выявления областей

возможного образования паразитных каналов;2 ) разработку мер повышения пороговых напряжений паразит­

ных структур для исключения их влияния. К таким мерам относят выбор толщины толстого диэлектрика /гт.д, которая обеспечивала бы требуемое пороговое напряжение паразитных М ДП-структур U о пар. Значение /гт.д определяют из выражений (2.10) и (2.11) со­ответственно для паразитных р- и п-каналов.

Д ля определения статического коэффициента разветвления тре­буется:

1) рассчитать удельную емкость проводника металлизации над толстым диэлектриком Ст.д о по формуле (2.4), а такж е удельную емкость перехода сток (исток) — подложка Cj о по вы раж е­нию (2.20);

2) для проверки неравенства (2.52) определить статический ко­эффициент разветвления по формуле

где СМонт — емкость монтаж а ( ~ 5 — 10 пФ); Св х j — входная ем­кость ИМС по /-му входу, определяемая как

Свх/ = ^ (^зп/-)~^'зи/)~1~^зс^М-|-(^кп~1~^пр) Ст.дО-j-CpxP» (2.55)

где k — количество транзисторов входного инвертора, включенных параллельно; Сзс — емкость затвор — сток ключевых транзисторов; К м — коэффициент, учитывающий эффект М иллера; 5 КП— площадь контактной площадки; 5 пр — площадь проводника металлизации от контактной площадки до затвора; С0хр — емкость охранных дио­дов.

Определение времени задерж ки сигнала разработанной много­каскадной М Д П -И М С включает расчет конструктивной нагрузоч­ной емкости Сц.констр промежуточного и входного инверторов по формуле (2.46) и по эскизу топологии кристалла, а такж е проверку неравенства

(2.54)

*

85

сн.консТр (2.56)

где С„ — расчетное значение емкости (2.47).При невыполнении условия (2.52) производят перерасчет топо­

логии входного инвертора путем увеличения времени его выключе­ния, рассчитанного ранее по (2.5). Д ля однокаскадных ИМ С целе­сообразно переработать топологию входного инвертора, произведя расчет на меньшую емкость нагрузки Сн. При невыполнении усло­вия (2.53) или (2.56) необходимо произвести перерасчет топологии промежуточных инверторов на большую емкость Сн', чем задано в (2.47).

Пример расчета конструкции и топологии КМДП-ИМС

Техническое заданиеРазработать конструкцию и топологию микросхемы И Л И — НЕ по следую*

щим исходным данным: электрическая схема (рис. 2.30); /СРа з= Ю ; Св = 50 пФ;

о—и !

7005щии

Рис. 2.30. Электрическая схема микросхемы И Л И — НЕ

*зад = 50 не; <7и.п = 9 В ± 1 0 % ; С/°ых<;0,3 В; U xb!X^ 7,5 В; УПом =0,9 В; техно­логия КМ ДП; технология монтажа кристалла в корпусе — ручная термоком» прессия; материал пластины — КЭФ4.5 < 1 0 0 > ; материал затвора — поликри* сталлический кремний; М0Л = Ю15 см-3 ; ^ = 2■ 101в см-3 ; Nn0Ji= ( l- i-2 )ЖХ 10“ см-2 ; jx„ = 450 см2/(В -с ) ; jj,p = 2 5 0 см2/(В -с ) ; t/оп ар^Ю В; герметич» ность корпуса 5-10-5 л-мкм/с; Т = —45-т- + 85° С.

Так как электрическая схема содержит четыре однотипных двухвходовых инвертора, достаточно рассчитать конструктивные параметры только одного из них. Последовательность расчета соответствует приведенному ранее порядку:

1) по выражению (2.37) | i / 0| = l,46 В;2) по формуле (2.10) С3о=4,65-10-8 Ф/см2, а по формуле (2.11) С»о“

= 2 , 4 - 10~8 Ф/см2;№ * » (0 ,0 7 5

3) по выражению (2.4) /гд = т а х j = m ax < = 0 ,1 5 мкм;

4) Уо1= —2,31 В, U02= 1,46 В, |УоП + г/о2=3,77<£/я.п = 9 В;5) по табл. 2.1 и формуле (2.49) /к1техн = /к2техн==^з—2г = 3 мкм;6) по выражению (2.42) S 0i= =4,4-10-4 А/В2;7) по выражению (2.41) S 02= 1,93-10~4 А/В2;8) по выражению (2.7) 6Ki/LiTexH = 73 и ЬК2/Л<2техн= 18.Отсюда Ьк1 = 219 мкм, а Ьк2 = 5 4 мкм.Остальные размеры областей М ДП-транзисторов выбирают по табл. 2.1.

86

<3 UJs ^ -i. <э XS §=3Cl Co*= S: »; ^ Й C;§ S° c~ .§

e e

g ’=JS 51 ^ £ | S §&

§* l aс: 3* СзcПLJ

Рис.

2.31

. То

поло

гия

крис

талл

а К

МД

П-И

МС

И

ЛИ

—Н

Е

При разработке эскиза топологии кристалл разбивают на четыре равные части и производят размещение транзисторов только первого инвертора (Г,—7\,) с учетом технологических ограничений. Плотность размещения элементов обес­печивается последовательным соединением р-канальных транзисторов (Т\, Т2) с объединенными стоковой и истоковой областями и параллельным соединенней «-канальных транзисторов (Т3, Г4) через область подложки. Вариант топологии кристалла с четырьмя двухвходовыми инверторами приведен на рис. 2.31. По оси симметрии кристалла расположены фигуры совмещения.

Оценку качества разработанной топологии производят по ранее изложенной методике. Для устранения паразитных /г-каналов вводят охранное кольцо р+-ти- па, охватывающее /г-канальные транзисторы инверторов, а для устранения ос­тальных паразитных p -каналов толщину окисла кремния /гт.д в соответствии с (2.10) делают равной 1,7 мкм.

Определенное по (2 .54) значение статического коэффициента разветвления /Сраз = 57>/Сраз.доп = 10 удовлетворяет требованиям технического задания, по­этому доработку эскиза топологии не производят.

КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ГИБРИДНЫ Х ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Часть II

Глава 3

КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ГИС

§ 3.1. Подложки тонкопленочных ГИС

Подложки ГИС являются диэлектрическим и механическим ос­нованиями для расположения пленочных и навесных элементов и служ ат для теплоотвода. Электрофизические параметры материа­лов подложек даны в табл. 3.1, а химический состав некоторых из них — в табл. 3.2.

Д ля маломощных ГИС можно применять бесщелочные бороси­ликатные стекла С41-1 и С48-3, а такж е ситаллы. По сравнению с ситаллами стекла имеют меньшую теплопроводность, что не позво­ляет использовать их при повышенных уровнях мощности. Ситалл имеет ряд преимуществ перед стеклами. Он хорошо обрабаты вает­ся, выдерживает резкие перепады температуры, обладает высоким

электрическим сопротивлением, газонепроницаем, а по механической прочности в 2—3 раза прочнее стекла. Д ля мощных ГИС применя­ют керамику поликор, а для особо мощных ГИС — бериллиевую ке­рамику, имеющую очень высокую теплопроводность (см. табл. 3.1).

Недостатком керамики является значительная шероховатость по­верхности, что затрудняет получение воспроизводимых номиналов тонкопленочных элементов. По этой причине керамику 22ХС ис­пользуют только для толстопленочных ГИС. Увеличение класса чистоты обработки поверхности путем глазурования керамики сло­ем бесщелочного стекла приводит к значительному уменьшению теп­лопроводности (см. табл. 3.1).

В случаях, когда требуется обеспечить хороший теплоотвод, вы­сокую механическую прочность и жесткость конструкции, применя­ют металлические подложки: алюминиевые подложки, покрытые слоем анодного оксида, или эмалированные стальные подложки.

Габаритные размеры подложек стандартизованы. Обычно на стандартной подложке групповым методом изготовляют несколько плат ГИС (заметим, что платой называется часть подложки с р ас ­положенными на ее поверхности пленочными элементами одной ГИ С ). Деление стандартной подложки на части, кратные двум и

89

Эле

ктро

физ

ичес

кие

пара

метр

ы

мат

ериа

лов

подл

ожек

ГИ

СМ

атер

иал

евегк*3

оcdН

о яа, ез ►** п X Я ев Ч в

г• »s wев в) g Sн я н о о о о, 2 J к *_■S я ® °

X>—sfc»00 I

соХь-

осЗ

юо* I

о ос*

\о

<N СО

X«-IJ |

T sg x

J, S'Iо

1о

ю+1оCD

2 31

О ою

«2 * к а. £ * 5 «S*

Iоюю

00со

1о

CN+1ою

inсо

IО'

осм

Iо

CN+100

00I

со

I.о о

Iо

CN+1

юnT

Iо

о<N

03а,VOо

оXXО,а>S3ов2 « ч* 1о

та •»о. К.§ 2 “ о я

°->я я е

О* ® ^ г л>> 5 ^ ^са “ с> с . ._ * не я5 «U8 s ^ wн Э & ?

geoS -I-0) о

К я•& a

оС О

нН0ЭЯCL) -a я o' н £з <->

« • § •0-S(D о о со ^ о а* с

CbJ*и

s « ь2 о.;»У С II 5Р- Л ЯЬ* н ЙЙ О sfё § и § ££>

1 7

£ II £«*— m gU§ & b

ft ^ 2 а. ISSbl

§ ЯО Wx X Я си а н« s &га а> zzН sr

£И

dj 334 vя sо °с иО оо ю(Ng II5 К.s Яа.а

а>яX

ггоа.с

2гп «ЕГ SJSo-CQ н г* *

СП ООX

90

Химический состав подложек ГИСТ а б л и ц а 3.2

Состав

Материалподложки

SiO, A l,O s ВаО СаО т ю , MgO ВаОзN aaO РеО

U O ,К,О МпО

C41-IС48-3CT50-I

60,566,325 ,0

13.53 .5

20,0 25 ,0

9 ,5 9 ,0 7,50 ,5 20,9

30 ,0

0,258,0 0,6

0,060,2

Т а б л и ц а 3.3Типоразмеры плат ГИС

(размеры, мм)

>& ти

по­

разм

ера

Шир

ина

Дли

на типо

­ра

змер

а

Шир

ина

Дли

на типо

­ра

змер

а

Шир

ина

Дли

на

№ ти

по­

разм

ера

Шир

ина

____

____

_ >

Дли

на

1 96 120 6 20 24 1 п 5 6 1 6 ' 8 102 60 96 .7 16 20 12 2,5 4 17 24 603 48 60 V 8 12 16 13 16 60 18 15 484 30 48 Г 9 10 16 14 32 60 19 20 455 24 30 МО 10 12 15 8 15 —

трем, дает ряд типоразмеров плат, приведенных в табл. 3.3. Платы № 3 — 10 используют в стандартных корпусах, остальные — в бес- корпусных ГИС и микросборках. Толщина подложек составляет 0,35— 0,6 мм. Размеры подложек имеют только минусовые допуски в пределах (0,1—0,3 мм).

§ 3.2. М атериалы элементов тонкопленочных ГИС

М атериалы резисторов. П араметры тонкопленочных резисторов определяются свойствами применяемых резистивных материалов, толщиной резистивной пленки и условиями ее формирования. Д ля создания ГИС необходимы резистивные пленки с удельным по­верхностным сопротивлением ps от десятков до десятков тысяч ом на квадрат. Чем меньше толщина пленок, тем выше ps, но одновре­менно повышается Т К # , а такж е ухудшается временная и темпе­ратурная стабильность пленок.

В качестве резистивных материалов используют чистые метал­лы и сплавы с высоким электрическим сопротивлением, а такж е специальные резистивные материалы — керметы, которые состоят из частиц металла и диэлектрика (например, Сг и S iO ). Широко распространены пленки хрома и тантала (табл. 3.4). Сплавы, из

91

Основные параметры материалов тонкопленочных резисторовТ а б л и ц а 3.4

Материал Параметры

для иапылеиия резистивной пленки контактных площадок

удельное по- верхностное

сопротивление резистивной пленки р£,

Ом/П

диапазон номиналь­ных значений сопро­

тивлений, Ом

допустимая удельная мощность рассеяния Ро, Вт/см9

температурный коэффициент сопротивления TK #

при Т----60-г125°С

Нихром, проволока Х20Н80 (ГОСТ 12766—67)

Медь 300 50—30 000

2

м о - 4

Нихром, проволока (ГОСТ 8803—58)

Золото с подслоем хрома

10 1— 10 000 —2,25-10'"4

50 5—50 000

Сплав МЛТ-ЗМ (6К0.028.005 ТУ)

Медь с подслоем в а­надия (луж еная)

Медь с подслоем ни­хрома (защищенная ни­келем)

500 ' 50—50 000 2 - 1 0 -1

Хром (ГОСТ 5905—67) Медь (луж еная) 500 50—30 000 1 0,6 - 10~*__

Кермет К-50С ’(ЕТ0.021.013 ТУ)

Золото с подслоем хрома (нихрома)

3000 - 5000

10 000

10'ОО— 10 000 500—200 ООО

10 000’— 10 000 000

2 з -ю - 4—4-101- 4 . —5-10^ 4

Материал Параметры

для напыления резистипной пленки контактных площадок

удельное по­верхностное

сопротивление резистивной нленки р^,

О м /а

диапазон номиналь­ных значений сопро­

тивлений, Ом

допустимая удельная мощность рассеяния

Р 0, В т/см а

температурный коЗффициент сопротивления 'ГК/? при Г -----£0-И25°С

Тантал ТВЧ; лента тол­щиной 0,3—3 мм (РЭТУ 1244—67)

Алюминий с подслоем ванадия

20— 100 100— 10 000 3 — 2 - 1 0 -4

Медь с подслоем ни­хрома

100 50— 100 000

Тантал 10 10— 15 000

Сплав РС-3001 (ЕТ0.021.019 ТУ)

1000 2000 ’

100—50 000 , 200— 100 000

2 — 0 ,2 - 10- ‘

Сплав РС-3710 (Е Т 0 .021.034 ТУ)

Золото с подслоем хрома (нихрома)

3000 1000—200 000 1Осо1

которых наиболее часто используют нихром, имеют большее значе­ние ps по сравнению с пленками чистых металлов. Н а основе керме- тов получают высокоомные резисторы. Наиболее распространен кермет, в состав которого входят хром и моноокись кремния (50— 90% Сг, 50— 10% SiO ). В зависимости от содержания хрома мож ­но получить резистивные пленки с удельным сопротивлением от сотен ом на квадрат до десятков килоом на квадрат, обладающие высокой стабильностью. Однако в связи с тем, что свойства кермет- ных пленок в сильной степени зависят от технологических факторов, резисторы имеют худшую воспроизводимость номиналов и боль­ший ТК/? по сравнению с металлическими; В настоящее время промышленностью освоена большая группа металлосилицидных сплавов системы Сг— Si, легированных небольшими добавками ж е ­леза, никеля, кобальта, вольфрама (PC-3001, PC-3710, РС-5604К, MJIT-3M, РС-5406Н). При сравнительно малом TK-R и высокой ста­бильности воспроизведения удельных поверхностных сопротивле­ний диапазон номиналов сплавов PC достаточно широк: 50 О м /П — 50 кОм/Ш. Наиболее часто используют сплавы PC-3001, РС-3710 (37,9% Сг, 9,4% Ni, 52,7% Si) , М ЛТ-ЗМ (43,6% Si, 17,6% Сг, 14,1% Fe, 24,7% W) (см. табл. 3.4).

М атериалы конденсаторов. Обкладки конденсаторов должны иметь высокую проводимость, коррозионную стойкость, технологи­ческую совместимость с материалом подложки и диэлектрика кон­денсатора: Т К Л Р, близкие к Т К Л Р подложки и диэлектрика, хо­рошую адгезию к подложке и диэлектрику, высокую механическую прочность.

Наилучшим материалом для обкладок конденсаторов является алюминий, который, однако, имеет плохую адгезию к подложке. Д л я предотвращения отслаивания нижней обкладки вначале на­пыляют подслой титана или ванадия. Верхняя обкладка, напыля­емая на диэлектрик, не требует подслоя. Применение золота для обкладок не рекомендуется из-за высокой подвижности атомов и воз­можной диффузии сквозь диэлектрик, приводящей к короткому з а ­мыканию обкладок.

М атериал диэлектрика должен иметь хорошую адгезию к под­ложке и материалу обкладок, обладать высокой электрической прочностью и малыми потерями, иметь высокую диэлектрическую проницаемость и минимальную гигроскопичность, не разлагаться в процессе формирования пленок. В качестве диэлектрических мате­риалов наиболее часто используют моноокиси кремния и германия. В табл. 3.5 приведены основные параметры диэлектрических мате­риалов тонкопленочных конденсаторов.

М атериалы проводников и контактных площадок. Они должны иметь малое удельное сопротивление, хорошую адгезию к подлож­ке, высокую коррозионную стойкость. Самым распространенным материалом тонкопленочных проводников и контактных площадок в ГИС повышенной надежности является золото с подслоем хро­ма, нихрома или титана. Подслой обеспечивает высокую адгезию, а золото — нужную проводимость, высокую коррозионную стой-

94

: 95

fc

Про

долж

ение

та

бл.

3.5

«ев н ,з То. ^ о

aj;K о £— a s 0 5 = н-1

ЭЭ1Г09 эн ‘fijw */ вкнзвн Behofred

IО

С «еЫ Hii.2d Sc О

CN

*7 ГР X S 5f5.S ^o p ; - »s £ 2»*-£ «j " II

2 s i* ° Ё -o. 9“ ob - О jU*> w ?. = г; Я О -iИ) !й 5 » Гs o -к( О S Ч>чэ* х

Ф XfflО о

яз г?" са

2 0 .Ооо

ооо

оо(N

□/ко <5dЯ01ГВ1'Н90 ИХНЭ1ГН

ЭИНЭ1Г0Ш,ОЙПОЭ 30H .lt/ -O H x d s a o u эончь*01гХ

(NО

£ § V I «2 са ^ 5Г4 ^ щ Н сч о —. оч2 к £ >> к « ь К НЙ к

а яw Я

а> —> сл ^ С <о^ Iсл »я5Р к 2 ® — я ^§ н

< е

Л VO Е О «J 03 *.КК£ к <и X О О .5=5 Si —ч Й * с к я

я ^ о < «

СЗ С J ,_чh - л)Я Я £2 s Я ь я сз х а о с > . а а л (- s У * et я о о х =; 2О (Т) р К *■— нС о а х =; а

96

к о с т ь , возможность пайки и сварки. Толщина золотых пленочных проводников обычно составляет 0,5— 1 мкм.

В аппаратуре с менее жесткими требованиями к надежности в качестве проводников используют пленки меди или алюминия с подслоем хрома, нихрома или титана. Д л я предотвращения окис­ления меди и улучшения условий пайки или сварки ее покрывают никелем, золотом или серебром. Д л я пайки медные контактные пло-

Т а б л и ц а 3.6Параметры многокомпонентных систем проводников и контактных площадок

тонкопленочных ГИС

Материалы подслоя, слоя и покрытия

Толщина слоев, мкм

Удельное поверхностное сопротивление Р5 , Ом/О

Рекомендуемый способ контактирования внешних

выводов

Подслой — нихром Х20Н80 (ГОСТ 2238—58)

Слой — золото Зл999,9 (ГОСТ 7222—54)

0,01—0,03

0 ,6 — 0,8

0,03—0,05 Пайка микропаяльни­ком или сварка импульс­ным косвенным нагре­вом

Подслой — нихром Х20Н80 (ГОСТ 2238—58)

Слой — медь MB (вакуум- плавленая) (МРТУ 14-14-42—65)

Покрытие — никель (М РТУ 14-14-46—65)

0,01—0,03

0 ,6 — 0 ,8

0,08—0,12

0,02—0,04

Сварка импульсным косвенным нагревом

Подслой — нихром Х20Н80 (ГОСТ 2238—58)

Слой — медь MB (ваку* умплавленая)(М РТУ 14-14-42—65)

Покрытие — золото ;3л999,9 (ГОСТ 7222—54)

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 (ГОСТ 2238—58)

Слой — алюминий А97 (ГОСТ 11069—64)

0,01—0,03

0,3—0,5 0,06—0,1 ■

Сварка сдвоенным электродом

Подслой — нихром Х20Н80 (ГОСТ 2238—58)

Слой — алюминий А99 (ГОСТ 11069—58)

Покрытие — никель (МРТУ 14-14-46—65)

0,04—0,05

0,25—0,35

0,05 0,1—0,2

Сварка импульсным косвенным нагревом

4—449 97

щадки целесообразно облуживать погружением схемы в припой, при этом остальные пленочные элементы должны быть защищены,

Алюминий обладает достаточно высокой коррозионной стой костыо и может использоваться как с защитным покрытием никеля для обеспечения возможности пайки, так и без него, если присоеди­нение навесных компонентов и внешних контактов осуществляется сваркой. Толщина медных и алюминиевых проводников равна ~ 1 мкм, а толщина никелевого или золотого покрытия обычно с ставляет десятые — сотые доли микрометра.

В табл. 3.6 приведены основные параметры токопроводящих м териалов, подслоя и покрытия, а в табл. 3.7 — параметры диэлек-

Т а б л и ц а 3.7Электрофизические параметры материалов, применяемых для защиты

элементов тонкопленочных ГИС

Параметры

Материалы ди электрика удельная емкость Со,

пФ/мм»

тангенс угла диэ­лектриче­

ских потерь tg В при / = 1 кГц

удельное объемное

сопротивле­ние Р у,

Ом »см

электриче­ская проч-н о ст ь £ „Р,

В/см

темпера­турный коэффи­

циент ТКС при Т —

— 6(Н-85°С 1 /“С

Моноокись кремния 6К0.028.004 ТУ

17 0,03 MOW 3-106 5 -10 -4

Халькогенидное стекло ИКС-24

50 0,01 MOW 4-105 5 -1Э—4

Негативный фоторезист ФН-108 ХА0.028.077 ТУ

12 0,01 1.1012 М О 5 5 • 10- 4

Фоторезист ФН-11 ТУ 6-14-631—71

50—83 --- 3-1012 6-105 ---

Л ак полиимидный электро­изоляционный

83— 100 --- 2-1012 5-105 ---

Окись кремния SiC>2 100 1-1013 6-105

трических материалов, применяемых для защиты элементов тонко­пленочных ГИС. Следует различать многослойную разводку от многоуровневой, когда создается система коммутации элементов и компонентов ГИС в несколько этажей (уровней), разделенных сло­ем диэлектрика. В каждом из уровней разводка может быть мно­гослойной.

§ 3.3. Методы формирования конфигураций элементов тонкопленочных ГИС

Д л я формирования конфигураций проводящего, резистивного и диэлектрического слоев используют различные методы: масочный — соответствующие материалы напыляют на подложку через съемные маски; фотолитографический — пленку наносят на всю поверхность подложки, а затем вытравливают с определенных участков; элек­

98

pzzg □

т р о н н о л у ч е в о й — некоторые участки пленки удаляют по заданной программе с подложки испарением под воздействием электронного

чпуча; лазерный — аналогичен электроннолучевому, только вместо }лектронного применяют луч лазера. Н аибольшее распространение лолучили два первых спо­соба, а такж е их комбина ции.

Масочный метод. При-^сочном методе рекомен-

•тся т а к а я последова- t ^льность формирования

слоев для изготовления ГИС, содержащих рези­сторы, проводники, пере­сечения пленочных про­водников, конденсаторы.Напыление: 1) резисто­ров; 2) проводников и контактных площадок;3) межслойной изоляции;1) проводников; 5) ниж-

'Них обкладок конденсато­ров; 6 ) диэлектрика;7) верхних обкладок кон­денсаторов; 8) защитного слоя. При отсутствии кон­денсаторов исключаются операции 5—7, а при от­сутствии пересечений — операции 3, 4.

Фотолитографический метод. При фотолитогра­фическом методе для из­готовления ГИС, содерж а­щих резисторы и провод­ники, используют два в а ­рианта технологии:

1) напыление материа­ла резистивной пленки; напыление материала про­водящей пленки; фотоли­тография проводящего слоя; фотолитография ре­зистивного слоя; нанесе­ние защитного слоя;

2) после проведения первых двух операций — фотолитография проводящего и резистивного слоев; фотолитография проводящего слоя; нанесение защитного слоя.

При производстве микросхем, содержащих проводники и рези-Л*

9Э

3)j

Рис. 3.1. Технологический процесс производст­ва тонкопленочной ГИС комбинированным ма­

сочным и фотолитографическим методами:а — напыление резисторов через маску; б — напыле­ние проводящей пленки; в,— фотолитография прово­дящ его слоя. Напыление через' маску: г — нижнихобкладок конденсаторов; 3 — диэлектрика; е — верх­них обкладок конденсаторов; ж — нанесение защ ит­ного слоя; з — монтаж навесных компонентов с ж е ­

сткими выводами

сторы из двух разных резистивных материалов, рекомендуется та кая последовательность операций: напыление пленки первого р зистивного материала; напыление пленки второго резистивнс материала; напыление материала проводящей пленки; фотолк

графин проводящего cJфотолитография вторе резистивного слоя; фото

резистонапылепленю

фотоли

защитного слоя. (Комбинированный ма

сочный и фотолитографк ческий метод. При совм щении масочного и фот литографического методо* для микросхем, содержа щих резисторы, проводни1 ки и конденсаторы, ис пользуют два варианта технологии:

1) напыление ров через маску; ние проводящей на резистивную; тография проводяще слоя; поочередное напыл ние через маску нижни. обкладок, диэлектрика i верхних обкладок конден саторов; нанесение защ ит­ного слоя (рис. 3.1, а—ж)\ Н а рис. 3 .1 ,з показан монтаж навесных компо­нентов с жесткими выво­дами;

2) напыление резис-1 тивное пленки; напыление! проводящей пленки на ре-| зистив'ную; фотолитогра-, фия проводящего и резис тивного слоев; фотолито графия проводящего слоя,[ напыление через маску] нижних обкладок, диэлек­трика 'И верхних обкладок

конденсаторов; нанесение защитного слоя (рис. 3.2, а—ж). Монтаж навесных компонентов представлен на рис. 3.2, з.

Д л я схем, не содержащих конденсаторы, применяют один из трех вариантов:

100

1) напыление через маску резисторов; напыление проводящей ленки; ф отоли тограф и я проводящего слоя; нанесение защитного

S-оя;*2) напыление резистивной пленки; фотолитография резистивно- -1слоя; напыление через маску проводников и контактных площа-

_>к; нанесение защитного слоя; литография первого 3) напыление резистивной пленки; напыление через маску кон-тивного слоя- нанесеЗИТ актных пл°ЩаД°к и проводников;уфотолитография резистивного

’ ени*рюя; нанесение защитного слоя.I Рекомендации по применению методов изготовления ГИС. Ма- Ьочпый метод применяют в мелкосерийном и серийном производ­стве. Точность изготовления R- и С-элементов ± 1 0 % . Фотолитогра-

>ический метод используют в массовом производстве. Д остиж имая очность изготовления пассивных элементов ± 1 % . Комбинирован­

н ы й масочный и фотолитографический метод применяют в серий­ном и массовом производстве, при этом максимальная разреш а­ющая способность при изготовлении пленочных элементов 50 мкм, [точность изготовления R- и С-элементов ± 1 и 10% соответственно.

§ 3.4. Компоненты ГИС

В качестве компонентов ГИС применяют диоды и диодные мат­рицы, транзисторы и транзисторные матрицы, полупроводниковые ИМС, конденсаторы, наборы прецизионных резисторов и конден­с о р о в , индуктивности, дроссели, трансформаторы. Компоненты /огут иметь жесткие и гибкие выводы.

Рис. 3.2. Технологический процесс производст­ва тонкопленочной ГИС комбинированным ме­тодом (масочным и двойной фотолитографии):а — напыление сплошных резистивной н проводящей пленок; б — травление проводящего и резистивного слоев; в — селективное травление проводящего слоя. Напыление через маску: г — нижних обкладок кон­денсаторов; д — диэлектрика; е — верхних обкладок конденсаторов; ж — нанесение защ итного слоя; з —

монтаж навесных компонентов

/ Паяное (сварное) л / Клеебос соединение Т ' соединение

Рис. 3.3. Способы крепления компонентов ГИСводов

КССоединение

с помощью контактола

и присоединения их вы-

Способ монтаж а компонентов на плату должен обеспечить фик­сацию положения компонента и выводов, сохранение его целостно­сти, параметров и свойств, а такж е отвод теплоты, сохранение це­лостности ГИС при термоциклировании, стойкость к вибрациям и

101

J l apTfoM' Ha рис- 3‘3 Показаны способы установки, крепления и при- няют r при выводов компонентов ГИС. Гибкие выводы присоеди­няют в центре контактной площадки (рис. 3.4), при этом конец гиб­кого вывода не должен выступать за пределы площадки. Расстояние от места выхода гибкого вывода из защитного покрытия до места его присоединения к контактной площадке должно быть не менее половины высоты компонента.

5)

Рис. 3.4. Крепление компонентов ГИС к плате и присоединение гибкого вывода к контактной площадке:

а — расположение вывода на контактной площадке; б — крепление компонента ГИС (1 — подложка; 2 — контактная площадка; 3 — гиб­

кий вывод; 4 — компонент ГИС)

Выбор того или иного типа прибора определяется технологиче­скими возможностями производства, обеспечивающими установку, крепление и присоединение выводов прибора на плате ГИС, а т ак ­ж е рядом параметров и критериев, характеризующих работу при­бора в конкретной схеме. Поскольку надежность прибора опреде­ляется режимами его работы в схеме, следует учитывать зависи­мость электрических параметров от условий работы схемы, зна­чений токов, напряжений, мощностей и т. д.

Транзисторы и диоды. В табл. 3.8 приведена система обозначе­ний полупроводниковых приборов, используемых в качестве компо­нентов ГИС.

Способы установки на плату, электрические параметры, габ а­ритные и присоединительные размеры транзисторов приведены в табл. 3.9 и на рис. 3$ , а диодов диодных матриц и диодных сбо­рок — в табл. 3.10 и на рис. г5

Конденсаторы. Перспективными для применения в ГИС яв л я­ются керамические конденсаторы КЮ-17 (рис 3.7) и КЮ-9 (рис.3.8, а — б). Их параметры приведены в табл. 3.11 и 3.12. Эти кон­денсаторы выпускаются двух типов — с нелужеными (посеребрен­ными) и лужеными торцами, являющимися выводами обкладок. Нелуженые выводы предназначены для присоединения к контакт­ным площадкам с помощью гибких выводов (рис. 3.9, а), луж е­н ы е — непосредственно к контактным площадкам платы ГИС (рис. 3.9, б).102

00со

с;\ о

«5 < 0)J Я =■н Л) Й к о й а я щ о w s3S5

ааоQ .О

\ оаClе

ааожSX=соеэоО .X>>чо

>Я5 XV

6 X п оVOосвг

SU

о £ £ о к * X и 0) о> е т *- sи t- о о :г =; га о а я2 нп 13 и

та*5 к 2« Я о Я о g о *=* к 2 2*

s *ч О) сз

о я S я «5 ж =; « <т> з* га

S'Sса

0

« I яЧо £1S.E’О о С S

о <

1

) 1—

999

Я />

>30

МГ

ц о

V05 CJО нсо

н0505СО_|00

ЯоS5SО3

ю

АXгас ЗМГ

ц<

<

/<

<30

МГц V/

р УV яи Юв V/

0505Ь-_1-—>

дчоto

оГ

SСОV/

*0яолк;:>>СS

V/ аР XV oО СО*“ V/Ю

0505со_!«—> со

Яноонса

ю

/>

>30

МГ

ц

Y v / =S н о

V/0505ю_|

ю

яо

О)й

V/Xга

схГVнСОсоО

3 М

Гц

<<

/<

<30

МГц V ё

g v o р '-> '—■ \ /ю Ю V у

0505

_1

<L>аи

/<З

МГ

ц|

Уни

вер­

саль

ные

т>50

3 не

0505со_1г->со я*-а нCQ />

ЗМ

Гц

Маг

нито

- ди

оды

и те

рмод

ио­

ды

201—

299 о

оSо>=*

соОV/Xгас 3

МГ

ц<

<

/<

<30

МГ

ц

(D3а:►а0)н ср

едне

й м

ощно

сти

0,3

</<

<1

0 А

101—

199 со

§сС

/<З

МГ

ц X3ко*с3

CQ мал

ой

мощ

ност

и /

<0,3

А

тран

зи-

бипо

ляр-

тран

зи-

поле

вые

днод

ы

Т —

стор

ыны

е П —

ст

оры 1

.«=[

;го

я а °

Г —

гер

мани

й и

< со

един

ени С.X

1 s=яКX

Яа>XS<0)оо

103

осоСЗг гS3

Ота

Н

-а х н S Q .ГЗ

VO«3U

вл оQ . CU ь о О И5 у « S си g ез 56 го с Сио нs -Ж А w Си аz . s

£■ Й а л ё « а> л

* 4& sЭ f- 2 * с ж<в 5 = 5S О

“ I §& * ЯН Sи

- >»'-

31ЭОоое

О

- с£« g Ьt5 |fe£ g.s 5* а>

сз а)CJ ча. О

ь- - К S а- gм *5

ОЮСЧ(МОО<МСОСО »ЛО О(М0 - 0 - « 0 0 0 0 сэ0 1 0О О О О О О О О О О О О О

о о о о о о о о о о о о о

ю ю^ЮЮЮ10ЮЮ(^(МЮЮЮ10 IO O O O O Q O q O O O C O ’-* — О О Ю 0 0 0 0 .). . |. , | . , | . . | . . | . .]. . | . . | . . | . . | . . | . , |. O O O O O O inO O O O O O —•’«tCCKO<OtD»oOtO<D tDtO I I I w I I I I I I I I I

OCDIOC/* — OlDCOCOCOCOOO

~ о о о —- —* о о о о о —- —•

OOCO^OOO^OOOOOOOOCNCOOOCOOtD(M(NO(NOO^ ^ C ’ o ’ — o ' — — — CNCO

О О О

О О О

О О О

Ю Ю Ю о б 0 0 ОО .|. + .|.О О О

7 1 " ?

^ ^ со со со

О О О

OOCO^^O^DOOOO Oio OtMCOOOCOO^DCNtNCvlCMOCN

^ ^ 0 0 ~ — 0 ~ —

ЕГО5 2

И

1МS s

о о <г-> о (тч о о о о о оО О Ю ю ОО Ю СМ СМ О -=*< ОСМОТ — <М СМ — — '*• OJ (N (М

I I I s I I I I I Т I I IО О О 1 0 0 0 0 0 С 1 0 0 0 C M tN 'i* CM J " см ^ сч rj< 00 ■чС rj*

0 0 10 01Г5 0 0 ЮЮОЮЮО CDCM— —> —'■----------—

О О Ю Ю Ю Ю Ю Ю Ю О О О О— iO ~ — — — — —(М—ЮСО

о О О О lO О О О О О О О о '-N-N-IN(MIMIN<NMinO<м <м

C Q ^ ^ U - f f l ( X | W ^ ^ r Q r Q t - ; r Q

<М ^ О СО СО |гл гп СО— м ^ солоосососоЙ л Й м Н С Н Ь ' Н Н Н Ь ' Н Н Н ^ Н

I I I I I I I I I I I I IО —> од t r ^ - ^ rj< - О Oi ^c n o o o - ^ o ico co^ ^ 5 S ^— (MCNJCOCOPCOCOCOCOCOCOCOн г ь - н н Ь н н н н н н н

сз VO

ч *СО соо о

0 4 с£

ю ю юN , t-*-- Г"*

о о о 00 Ю ОО см см см

О Ю Ою < м * о

ОЮ Ю

ю юю

о ю о CN — СМ

tu C Q C Q

I I I < < < СО 0 0 05с о ю СО СО с он н н

соОо

ю(N

ооCN

осм

оCSJнсм

V/SЮ нЛ S* S

Й М Й о. 2 к-с*

< с

со со яч ф «со СО Е

оя’ ®-

£Х Р , С

104

— м

акси

мал

ьны

й то

к ко

ллек

тора

; м

акси

мал

ьная

м

ощно

сть

в це

пи

колл

екто

ра;

Т а б л и ц а 3.10

Способы установки на плату, электрические параметры, габаритные и присоединительные размеры бескорпусных диодных матриц,

диодных сборок, диодов

Электрические параметры Габаритные раз­

сг < меры, мм, не более

Способустановки Тип X

2

о"с

X2

аУ О X <6 5

схемасоединений

а Ь И

Мас

са,

г,

не бо

лее

Рис. 3 ^ , а 2Д918Б,2Д918ГКД907Б,КД907Г

40 53 4 С общим анодом

1,15 1,15 1,0 0,0050,006

Рис. 3 б КД901А— КД901Г

2Д904А— 2Д904Е

13

12 5

6

6

С общим катодом

1,1

1,31,0

1 ,3

1,11,0

0,8

1,0

0,005

0,010

^Рис. З^Г s | 2ДС 408А'2ДС408Б >

12 2 J 4 Диоды не соединены

между собой

0,9 1,1 0 ,7 0 , 00ft

Рис. г 2Д910А— 2Д910В

'2Д 911А— 2Д911Б

5 10 3 С общим катодом

1.01,0

' 1,01,0

1,01,0

0,01

Рис. 3.5, в 2Д912А 10 о 3 С общим анодом

0,75 0,75 0,34 0,01

J КД913А

1

10 10

1

3 С общим катодом

0,75 0,75 0,75 0,002

П р и м е ч а н и е : U 0 §v max — постоянное обратное напряжение в интервале темпера»тур — 60-^80° С;

^пр m ax— суммарный средний прямой ток через все диоды илв одни днод в интервале температур —60-*-85" С.

Выбор типа конденсатора производят по значениям емкости, рабочего напряжения, интервалу рабочих температур, допустимой, реактивной мощности и допустимому отклонению емкости от номи.~ нала.

Керамические конденсаторы в зависимости от вида применен­ной для диэлектрика керамики подразделяют на группы. Конден­саторы с диэлектриком из высокочастотной керамики имеют нор­мированный ТКС (группы ПЗЗ, М47, М75, М750, M l 500, М 2200). В написании группа букв означает: П — положительный, М — от­рицательный ТКС, а цифра — среднее знчение Т К С -10- 6 на час­тотах порядка мегагерц. В зависимости от номинала допустимое

Рис. 3.5. Способы установки на плату, габаритные и присоединительные размеры транзисторов в соответствии с табл. 3.9

Размеры контактных площадок приведены в табл. 3.15

Рис. 3.6. Способы установки, габаритные и присоединительные размеры диодных _ матриц и диодных сборок в соответствии с табл. 3.10

Рис. 3.7. Конструкции конденсатора ^КЮ-17 с нелужеными и лужеными выводами (S i, L u Н i — размеры по- т

еле лужения)

106

Т а б л и ц а 3.11Параметры конденсаторов ЮО-17

Пределы номинальных емкостей . I I Габаритные размеры, ммдля групп ткс, >ф ТО “

S а ~

Щ /. В н и , т- <3>

«■з 5° 3пзз М47 М75 i l ld o . s 5®£, X

22—68 22- -82 3 3 — 103 1 1,5 1,5Ш1 ,0 1,5 1,4 1,2 0 ,2-- 0 ,5 0,1

75— 150 9 1--183 110—233 2 2 1,7 1,0 2 1,9 1,2 0 ,2 - - 0 , 7 0,1160—510 233--620 220—910 3,5 4 2 ,7 1,0 4 3 ,0 1,2 1-- 1 , 5 0 ,2560—910 693--1003 1033— 1203 5 5 ,5 2 ,7 1,0 5 ,5 3 ,0 1,2 1,5-- 2 0 ,3

1000— 18Э0 1100- -2330 1333—2403 10 о ,0 4 ,3 1 ,0 5 ,5 4 ,6 1,2 1,5-- 2 ;о ,4560—820 683--1003 1033— 1533 7 4 2,7 1 ,8 4 3 ,0 2 ,0 1-- 1 , 5 0,3

1000— 1500 1103--1830 1633—2003 10 0 ,0 2 ,7 1,4 5 ,5 3 ,0 2 ,0 1, 2-- 2 0,42000-3000 2400--3630 2730—3930 23 0 ,0 4 ,3 1,8 5 ,5 4 ,6 2 ,0 1,5 - 2 0,5

та) 5} В)

Рис. 3.8. Конструкции конденсатора КЮ-9 с нелужеными (а) и луж е­ными (б) выводами; конденсатора К10-9М с лужеными выводами (в) (В, S — размеры после металлизации, В и Si — размеры после металли­

зации и лужения)

у/' Л

аI '

Рис. 3.9. Способы установки конденсаторов K10-I7 и КЮ-9 на плату ГИС:

а — с гибкими выводами; б — на контактные площадки

107

1

Параметры конденсаторовчК10-9Т а б л и ц а 3.12

гп Пределы номинальных емкостей для групп ТКС, пФ Габаритные размеры, ммТ

ипор

азм

ер

ПЗЗ, М47 Ш 5 Ш 500 НЗО Н90

Допустимаяреактивнаямощность,

вар L в 5 в , S,

Мас

са,

г,

не

боле

е

I 2,2— 10 11—24 36— 1 ООО 150— 1 ООО 1 000—3 300 1,25 2 2 0,6 2 0,1

2 11—27 27—51 110—200 1 500 4 700 2 ,5 24 0,6 4

0,15

3 30— 51 56— 120 220—390 2 200— 3 300 6 800— 10 000 5 4 1,2 0,3

4 10-51 22—120 180—390 680— 3 300 1 000— 10 000 5 2 ,55 ,5 0,6 5 ,5

0,3

5 56— 120 130—270 430— 1 ООО 4 700—6 800 15 000—2 200 10 6 0,6

6 1 1 -2 4 27—62 110—240 1 500—2 200 4 700— 10 000 1,25 2 2 1 2 1,5 0,1

7 30—62 56— 120 220— 470 2 200— 4 700 6 800— 15 000 2 ,5 24 1 &

0,15

8 68—120 130—270 520— 1 000 6 800— 10_000 22 000—33 000 5 4 0,3

9 56— 120 130—270 430—2 000 4 700— 10 000 15 000—33 000 5 2,55,5> 1 5,5 0,6

10 130—330 300—620 1 100— 2 400 15 000— 33 000 57 000—68 000 10 6

- - — — ■— ------- -—— ------------------------------ П п п П п т Г , л .4 10

о.4J55юсзоXН

Пределы номинальных емкостей для групп ТКС, пФ Габаритные размеры, мм

- ая чS 3я** оя

ПЗЗ, М47 М75 М1500 НЗО Н90

Допустимареактивнамощность,

вар

ви

L в S B i 5 ,

11 2 7 - 3 8 6 8 -9 1 273—390 3 300 15 000 2,5 2 2 1,4 2

2

0,2

12

13

68— 100 130—200 510—750 6 800 22 000 5 2

4 1,4 40 ,3

ПО—200 220—430 820— 1 500 10 000— 15 000 33 000—47 000 10 4 0,5

0,514

15

130—200 300—430 1 100— 1 500 15 000 47 000 10 2 ,5

5 ,5 м 5,5

220—560 470— 1200 1 600—4 700 22 000—47 000 68 000— 100 000 - 20 6 1,0

16 110— 153 220—430 820— 1 500 10 000— 15 000 33 000—47 000 5 24 2 ,5 4

3

0 ,3

17 J 60—330 470— 820 1 600—3 000 22 000—33 000 68 000— 100 000 10 5 0,5

18 220—330 470—820 1 600—3 000 22 000—33 000 68 000— 100 000 10 2 ,55 ,5 2 ,5 5 ,5

8

0,5

19 3 6 0 -8 2 0 910— 2200 3 300—8 200 47 000—68 000 15 000—22 000 20 6 1,0

20 9 10—2200 2400—3900 9 100— 15 000 10000— 15000 ;53 000—47 000 30 8 •8 2 ,5 1,5

/

Т а б л и ц а 3.13Параметры конденсаторов К53-15

Номиналь­ное напря­жение, В

Номинальная емкость, мкФ

Габаритные размеры, ммМасса, г, не более

1 ' в н А

3 2,2; 3,3 2 ,54

22 ,3

0, 15

4,7; 6,7 5 ,0 0,25

10; 15 0,658 5 ,5

22; 33 1 0 , 0 1 ,5

6 ,31,5; 2,2 _2 ,5

4

2

2 ,30,15

3,3; 4,7 5 ,0 0,25

6,88 5 ,5

0,65

10; 15 10,0 1,5

101,0; 1,5 2 ,5

4 2 2 ,30,65

2,2; 3,3 5 ,0 1,5

160,68; 1,0 2,5 4

2

2 ,30,15

1,5; 2,2 5 ,0 0,25

3,3; 4,7 8 5 ,5 0,65

6,8; 10 10,0 1,5

200,47; 0,68 2 ,5 .

4

8

2

2 ,30,15

1,0; 1,5 5 ,0 0,25

2,2; 3,3 5 ,5 0,65

4,7; 6,8 10,0 1.5

30

0,1; 0,15; 0,22 2 ,5 4 1.6 2 ,3 0,12

0,68; 1,0 5 ,0

2

0,25

1,5; 2,2 5 ,5 0,65

3,3; 4,7 10,0 8 1,5

0,33; 0,47 2 ,5 2 ,3 0,15

110

отклонение емкости конденсаторов этих групп составляет ± 5 , 10, 20%. Конденсаторы с диэлектриком из низкочастотной керамики

^ имеют ненормированный ТКС (группы НЗО, Н50, Н70, Н90) и до­пустимое отклонение емкости от номинала соответственно ± 3 0 , ± 5 0 , — 70— 50, - 9 0 4 - 5 0 % .

Номинальное напряжение конденсаторов^Ю -17 25 В, интервал рабочих температур — 60-f-80° С, сопротивление изоляции не менее 10 МОм. КонденсаторьСКДО-Э^работают при более низких н апряж е­ниях- ^?) 16 В), но в более широком интервале температур — 60-г- 125° С при том же значении сопротивления изоляции.

В качестве электролитических конденсаторов в ГИС целесооб­разно использовать малогабаритные оксидно-полупроводниковые конденсаторы К53. Они рассчитаны на рабочее напряжение до ЗОВ в интервале температур — 604-85° С. Электролитические конденса­торы К53-15 и К53-16 отличаются конструкцией выводов.

Конденсатор К53-15 (рис. 3.10) имеет выводы по типу шарико­вых и предназначен для автоматизированного монтажа, а конден­сатор К53-16 имеет гибкие выводы (рис. 3.11) и монтируется на плату с помощью проволочного монтажа. Параметры конденсато­ров К53-15 и К53-16 приведены в табл. 3.13 и 3.14.

Положительный Вывод

/теные / хонтактьг^

Ф-

Рис. 3.10. Конструкция кон­денсатора К53-15

Ф0,2±0,05

Л -fЬ-Г. - ф -

Рис. 3.11. Конструкция кон­денсатора К53-16

Параметры конденсаторов K53-I6Т а б л и ц а 3.14

Номинальноенапряжение,

ВНоминальная емкость, мкФ

Размеры, мм

Масса, г, не более^inax ■^шах

ZJ

max

1,5; 2,2 1,9 3,4 3,4 0,051,6 4,7 2,3 3,7 1,6 0,075

6 ,8 ; 10 2,3 5,0 1,6 0,1

111

Продолж ение табл. 3.14

Номинальноенапряжение,

ВНоминальная емкость, мкФ

Размеры , мм

^ m a x ■^Шах

М асса, г, не более

1.0 1,9 3,4 1,2 0,053 3,3 2,3 3,7 1,6 0,075

4,7 2,3 5,0 1,6 0,1

А 2,2 2,3 3,7 1,6 0,075% 3,3 2,3 5,0 1,6 0,1

0,68 1,9 3,4 1,2 0,056,3 1,5 2,3 3,7 1,6 0,075

2,2 2,3 5,0 1,6 0,1

0,47 1,9 3,4 1,2 0,0510 1,0 2,3 3,7 1,6 0,075

1,5 2,3 5,0 1,6 0,1

0,33 1,9 3,4 1,2 0,0516 0,68 2,3 3,7 1,6 0,075

1,0 2,3 5,0 1.6 0,01

0,22 1,9 3,4 1,2 0,0520 0,47 2,3 3,7 1,6 0,075

0,68 2,3 5,0 1,6 0,1

0,01; 0,0150,022; 0,0330,047; 0,047; 1,9 3,4 1,2 0,05

0,130 0,15

0,22; 0,33 2,3 3,7 1,6 0,0750,47 2,3 5,0 1,6 0,1

§ 3 .5 . К о н ст р у к т и в н ы е и т е х н о л о г и ч е с к и е о г р а н и ч ен и я при п р о ек т и р о в а н и и т о н к о п л ен о ч н ы х Г И С

В табл. 3.15 приведены основные конструктивные и технологи­ческие ограничения при использовании следующих методов созда­ния пленочных элементов: масочного (М), фотолитографического (Ф), комбинированного масочного и фотолитографического (М Ф),- электронно-ионного (ЭИ) и по танталовой технологии (ТА).

Помимо ограничений, приведенных в табл. 3.15, при конструиро­вании ГИС необходимо выполнять общие правила и ограничения:

1) каж дая плата микросхемы долж на иметь ключ, которым яв-' ляется нижняя левая контактная площ адка с вырезом по большей стороне платы или специальный знак в форме треугольника, пря­моугольника;112

Т а б л и ц а 3.15

Конструктивные и технологические ограничения при проектировании тонкопленочных ГИС

Элемент топологии Содержание ограничения

Размер ограничения, мм, при использовании метода

М МФ ЭИ

Точность изготовления линейных размеров пле­ночных элементов и рас­стояний между ними А/, A b, A a, AL, А В и других при расположении пле­ночных элементов в од­ном слое, мм ±0,01 ±0,01 ±0,01 ±0,01

Минимально допусти­мый размер резистора, мм b

I0,1 0,15

0 ,3 0,1

. М инимальна допусти­мые расстояния между пленочными элемента­ми, расположенными в одном слое, а, мм 0 ,3

Максимально допусти­мое соотношение разме­ров 1/а 10

0,1

0 ,3

0 .3

10Д

Максимально допусти мое расстояние между пленочными элементами, расположенными в раз­ных слоях, с, мм

Перекрытия для сов мещения пленочных эле­ментов, расположенные в разных слоях, е, мм

Минимальное расстоя­ние от пленочных эле­ментов до края платы d, мм

0,2

>0,2

0 ,5

Минимальная ширина пленочных проводников г, мм

Минимально допусти­мое расстояние между краем пленочного рези­стора и краем его кон- тактной площадки /, мм

0,1

30

0,1

±0,01

0,050,1

0,05

100

0,2

0,2

>0,2

0 ,5

0,1

>0,1

0 ,4

0,05

0,2 0,1—г -

0,1

0,2

0,1 0,05

0,2 0,1 0,1

113

I

Продолжение табл. 3.15

Элемент топологии Содержание ограничения

Размер ограинчення, мм, при использовании метода

М

Минимально допусти­мые расстояния, мм:

между краями ди­электрика и нижней обкладки конденса­тора f

между краями верх­ней и нижней обкла­док конденсатора g

0,1 0,1

МФ

0,1

ЭИ ТА

0,1

0,-2

между краем ди­электрика и соедине­нием вывода конден­сатора с другим пле­ночным элементом h

между краем ди­электрика и нижней обкладкой конден­сатора в месте вы­вода верхней об­кладки с

от пленочного кон­денсатора до при­клеиваемых навес­ных компонентов z

Минимальная площадь перекрытия обкладок конденсаторов L x B , мм2

0,3

0,2

0,5

0,5 X 0 , 5

Максимальное откло­нение емкости конден­сатора от номинального значения, % ± 1 2

Минимальное расстоя­ние от проволочного проводника или вывода до края контактной пло­щадки или до края пле­ночного проводника, не защищенного изоляци­ей, k, мм 0,2

114

Продолжение табл. 3.15

Элемент топологии Содержание ограничения

Минимальные разме­ры контактных площ а­док для монтажа навес­ных компонентов с ш а­риковыми или столбико­выми выводами, мм

mп

Минимальные разме­ры контактных площадок для контроля электриче­ских параметров, мм ,

Минимальное расстоя­ние между контактными площадками для при­варки и припайки про­волочных проводников, мм

Размер ограничения, мм, при использовании метода

М

М аксимальная длина гибкого вывода без до­полнительного крепления о, мм ____

Минимальные рас­стояния, мм, между кон­тактными площадками для монтажа навесных компонентов с шарико­выми или столбиковыми выводами и пленочным резистором р, диэлект- риком конденсатора б

Минимальные расстоя­ния, мм, от края навес­ного компонента, до:

края платы q края другого компо­нента гкрая навесного пас­сивного компонента края контактной площадки, предна­значенной для при­варки проволочных выводов, s проволочного про­водникалуженого пленочного элемента

МФ ЭИ ТА

0,20,1

0,2 X 0,2

0,2

3,0

0,60,35

0,4

0,4

0,6

0,4

0,3

0,2

Д ля всех методов

115

Продолжение табл. 3.15

Элемент топологии Содержание ограничения

Размер ограничения, мм, при использовании метода

М МФ ЭИ ТА

Минимальные разме­ры контактных площа­док для приварки про­волочных проводников или проволочных выво­дов навесных компонен­тов при диаметре про­волоки, мм:

0 0,03

0 0,04

0 0,05

для одного проводника для двух проводников для трех проводников

для одного проводника для двух проводников для трех проводников

' для одного проводника для двух проводников для трех проводников

0,15X0,1

0,2 X 0,2

0,2 X 0,3

0,2X0,15

0,25X0,25

0,25X0,40

0,25X0,2

0,3 X 0,3

0,3 X 0,5

2) в одной микросхеме следует применять навесные компонен­ты с одинаковым диаметром и материалом гибких выводов. Одно­типные по расположению выводов компоненты предпочтительнее ориентировать одинаково;

3) навесные компоненты рекомендуется по возможности распо­лагать рядами, параллельными сторонам платы. Допускается уста­новка навесных активных компонентов с гибкими выводами вплот­ную, если контакт между ними не влияет на работоспособность схемы;

4) при рядном расположении навесных компонентов рекомен­дуется рядное расположение контактных площадок под одноимен­ные выводы;

5) не допускается установка навесных компонентов на пленоч­ные конденсаторы, пленочные индуктивности и пересечения пленоч­ных проводников. Допускается установка навесных компонентов на пленочные проводники и резисторы, защищенные диэлектриком;

6) не допускаются резкие изгибы и натяжение проволочных про­водников. Н е рекомендуется делать перегиб проволочного вывода116

через навесной компонент. Проволочные проводники и гибкие выво­ды не должны проходить над пленочным конденсатором;

7) не допускается оставлять незакрепленными участки гибких выводов длиной более 3 мм. Необходимо предусмотреть закрепле­ние их точками клея холодного отвердения (например, эпоксидного клея ЭД-20, ЭД-16).

§ 3.6. Расчет конструкций элементов тонкопленочных ГИС

Конфигурации тонкопленочных резисторов. Типовые конфигура­ции тонкопленочных резисторов приведены на рис. 3.12, а — г. Наиболее распространенной является прямоугольная форма, как самая простая по технологическому исполнению. Резистор в виде полосок занимает большую площадь, чем резисторы типа «меандр» или «змейка».

а)B E l HT

5)

№

В) г)

Рис. 3.12. Конфигурации тонкопленочных резисторов: а — полоска; б — составной из полосок; в — меандр; г — змейка

При масочном методе изготовления резисторов, изображенных на рис. 3.12, б — г, расстояние между соседними резистивными по­лосками должно быть не менее 300 мкм, длина резистивных участ­ков I не долж на превышать расстояние а более чем в 10 раз для обеспечения необходимой жесткости маски. При этом точность из­готовления резисторов типа «меандр» и «змейка» не превышает 20%. Д ля получения большей точности рекомендуется применять конфигурацию, изображенную на рис.3.12,6, или выполнять резистор мето­дом фотолитографии.

Меандр уступает в отношении ста­бильности- и надежности конструкции типа «змейка» из-за перегрева в угол­ках, но он предпочтительнее с точки зрения изготовления фотошаблонов и поэтому более распространен.

Контактные площадки следует рас­полагать с противоположных сторон резистора для устранения погрешности совмещения проводящего и резистивного слоев. По этой причине придавать резисторам форму, изображенную на рис. 3.13, не реко­мендуется, так как сопротивление таких резисторов зависит от точ­ности совмещения масок и фотошаблонов (неточности при совмеще­нии изменяют длину таких резисторов).

Рис. 3.13. Конфигурации рези­сторов, сопротивление которых зависит от погрешности совме­

щения слоев

117

Конструктивный расчет тонкопленочных резисторов. Конструк­тивный расчет тонкопленочных резисторов заключается в опреде­лении формы, геометрических размеров и минимальной площади, занимаемой резисторами на подложке. При этом необходимо, что­бы резисторы обеспечивали рассеивание заданной мощности при удовлетворении требуемой точности yR в условиях существующих технологических возможностей.

Исходные данные, пля р а с ч е т а : номинал резистора Rj, Ом; до ­пуск на номинал yRl. > <yQ. мощность рассеяния Pi, мВт; рабочий д и а ­пазон температур Tmax— Tmin, °С; технологические ограничения (см. табл. 3.15); шаг координатной сетки, мм.

П о р я д о к р а с ч е т а

1. Определяют оптимальное с точки зрения минимума площади под резисторами ГИС сопротивление квадрата резистивной пленки:

где п — число резисторов; R i — номинал i-го резистора.2. По табл. 3.4 выбирают материал резистивной пленки с удель­

ным сопротивлением, ближайшим по значению к вычисленному Psonr • При этом необходимо, чтобы T K # материала был минималь­ным, а удельная мощность рассеяния Pq — максимальной.

3. Производят проверку правильности выбранного материала с точки зрения точности изготовления резисторов.

Полная относительная погрешность изготовления пленочного резистора уя = АRfR состоит из суммы погрешностей;

воспроизведения величины ps резистивной пленки; \ R t — темпера­турная погрешность; уДст — погрешность, обусловленная старени­ем пленки; у я к — погрешность переходных сопротивлений кон­тактов.

Погрешность коэффициента формы зависит от погрешнос­тей геометрических размеров — длины I и ширины b резистора:

Погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопро­тивления Yps зависит от условий напыления и м атериала резистив­ной пленки. В условиях серийного производства ее значение не превышает 5%.

(3.1)

118

Температурная погрешность зависит от Т К R материала пленки: Y/г, — (7"max — 20°С), (3.2)

где а.ц — температурный коэффициент сопротивления материала пленки, 1 /° С.

Погрешность унст> обусловленная старением пленки, вызвана медленным изменением структуры пленки во времени и ее окисле­нием. Она зависит от материала пленки и эффективности защиты, а такж е от условий хранения и эксплуатации. Обычно для ГИС Уп ст не превышает 3%.

Погрешность переходных сопротивлений контактов уяк зависит от технологических условий напыления пленок, удельного со­противления резистивной пленки и геометрических размеров кон­тактного перехода: длины перекрытия контактирующих пленок, ширины резистора. Обычно унк ~1-г-2% . Если материал контакт­ных площадок выбран в соответствии с табл. 3.4, то этой погреш­ностью можно пренебречь.

Допустимая погрешность коэффициента формы

Если значение \ к фдоп отрицательно, то это означает, что изго­товление резистора заданной точности из выбранного материала невозможно. В этом случае необходимо выбрать другой материал с меньшим ТК/? либо использовать подгонку резисторов, если поз­воляет технологическое оборудование.

4. Определяют конструкцию резисторов по значению коэффи­циента формы Кф'.

При 1 sgc Лф, =sS[ 10 рекомендуется конструктировать резистор прямоугольной формы, изображенный на рис. 3.12, при Кфг >10 — резистор сложной формы (составной, меандр или типа «змейка», рис. 3.12, б—г) , при 0,1 г^/Сф, 1 — резистор прямоугольной фор­мы, у которого длина меньше ширины. Конструировать резистор с /Сф/<0,1 не рекомендуется, так как он будет иметь большие контакт­ные площадки и занимать значительную площадь на подложке.

Если в одной схеме содержатся низкоомные и высокоомные резисторы, можно использовать два резистивных материала, для выбора которых определяют р~ сначала для всех резисторов^лптпо формуле (3.1), после чего разбивают резисторы на две группы так, чтобы Ri max первой группы было меньше, a Rim'm второй груп­п ы — больше значения р5 , вычисленного для всех резисторов.

Затем по этой 'ж е формуле рассчитывают р5опт1 и р5опта и выбира­ют материалы для каждой группы резисторов в отдельности.

5. Дальнейший расчет проводят в зависимости от формы резис­торов.

(3.3)

(3.4)

опт

119

Р а с ч е т п р я м о у го л ь н ы х п о л о ск о в ы х р е зи с т о р о в . Д л я резисторов, имеющих Л Ф 1 (рис. 3.14, а, б), сначала определяют ширину, а затем длину резистора. Расчетное значение ширины резистора

т Ш

т

а)Рис. 3.14. К расчету резисторов типа «полоска» (а) и «меандр» (б)

точн

должно быть не менее наибольшего значения одной из трех величин:

^расч > ш а х (6техн; Д10ЧН; Ьр ],(3.5)

где Ьтехн — минимальная ширина ре­зистора, определяемая возможностя­ми технологического процесса (см. табл. 3.15); ЬТочи — ширина резисто­ра, определяемая точностью изготов­ления:

- г Ы3.6)

(Ab, АI — погрешности изготовления ширины и длины резистора, зависящие от метода изготовления, см. табл. 3.15); ЬР — минималь­ная ширина резистора, при которой обеспечивается заданная мощ­ность:

ь-V P 0R Г р оК ф -

З а ширину b резистора принимают ближайшее к Ьрасч большее значение, кратное шагу координатной сетки, принятому для черте­ж а топологии с учетом масштаба. Д ля тонкопленочной технологии шаг координатной сетки обычно составляет 1 или 0,5 мм. Например, если шаг координатной сетки 1 мм, масштаб 20: 1, то округление производят до величины, кратной 0,05 мм.

Д алее находят расчетную длину резистора:Iрасч" ■ьк*. (3.8)

З а длину I резистора принимают ближайш ее к /расч значение, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа тополо­гии с учетом масштаба. При этом следует оценивать получающуюся погрешность и при необходимости выбирать большее значение ши­рины b резистора, при котором округление длины /раСч дает прием­лемую погрешность.

Определяют полную длину резистора с учетом перекрытия кон­тактных площадок:

^полн=^+2е, (3.9)

где е — размер перекрытия резистора и контактных площадок (см. табл. 3.15).

При использовании метода двойной фотолитографии 1иолп=1-Площадь, занимаемая резистором на подложке,

(3.10)

120

Д л я резисторов, имеющих Д ф< 1, сначала определяют длину, а затем ширину резистора.

Расчетное значение длины резистора /расч выбирают из условия

/расч Н 13Х {^техн» ^точн> ^р } »

где /Техн— минимальная длина резистора, определяемая разреш аю ­щей способностью выбранного метода формирования .конфигурации (см. табл. 3.15); /точи — минимальная длина резистора, при которой обеспечивается заданная точность:

^точн ( ^ “Ь Д ^ ф )/У Л Г ф » ( 3 - 1 2 )

1Р — минимальная длина резистора, при которой рассеивается з а ­данная мощность:

1Р= У Р К ф/ Рй. (3.13)

З а длину / резистора принимают ближайшее к /расч значение, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа тополо­гии.

Расчетную ширину резистора определяют по формуле

йр„ч = ф - (ЗЛ4>За ширину b резистора принимают ближайшее к брасч значение,

кратное шагу координатной сетки. При этом следует оценивать по­лучающуюся погрешность и при необходимости корректировать значение длины / резистора в большую сторону, при котором округ­ление ширины брасч дает приемлемую погрешность.

Полную длину резистора с учетом перекрытия контактных пло­щ адок и площадь резистора определяют соответственно по форму­лам (3.9) и (3.10).

Д ля проверки находят действительную удельную мощность и по­грешность резистора. Очевидно, резистор спроектирован удовлетво­рительно, если: /

1) удельная мощность рассеяния Ро' не превышает допустимого значения Р о:

P o = P / S Р 0; (3.15)

2) погрешность коэффициента формы у/гф Ие превышает допус­тимого значения укфдоп :

УКф= А^полн“!~ &Ь/Ь -CY/f^on; (3.16)

3) суммарная погрешность y'R не превышает допуска уя\

V s= Y ts + V ^ + Y R( + Y„K + VR[T< V « . (3.17)I 4 1

Конструктивный расчет тонкопленочных резисторов сложнойформы. При конструировании резистора в виде отдельных резистив­ных полосок, соединенных проводящими перемычками (см. рис.

121

3.12, б), сумма длин резистивных полосок должна быть равна дли ­не, определенной по формуле 1 = ЬКф.

Резисторы типа «меандр» (рис. 3.14, б) рассчитывают из усло­вия минимальной площади, занимаемой резистором.

Расчет меандра проводят после определения ширины b рези^. тора в такой последовательности.

Определяют длину средней линии меандра:

1СР= Ь К Ф. (3.18)

З адаю т расстояние между резистивными полосками а. С учетом технологических ограничений (см. табл. 3.15) при масочном методе fimin — 300 мкм, при фотолитографии а т т = Ю 0 мкм (обычно зад: а = Ь ) .

Н аходят шаг одного звена меандра:t= c i - \ - b . (3.19)

Определяют оптимальное число звеньев меандра я 0пг из условг чтобы площадь, занимаемая резистором типа «меандр», была мин. мальной. Очевидно, это будет в случае, когда меандр вписывается ь квадрат (L = B ).

Если отношение длины средней линии меандра к Ширине резис­тивной полоски больше 10, то оптимальное число звеньев меандра может быть вычислено по приближенной формуле

п т х У ц сг1 1 ) ( В Щ . (3.20)

При L = B (меандр квадратной формы) и а = Ь выражение упро­щается:

(3.21 j

Значение поит округляют до ближайшего целого.Определяют длину меандра:

L = n { a + b). (3.22)

Вычисляют ширину меандра:

В = , (3.23,11

где п — оптимальное число звеньев меандра, округленное до бли­жайшего целого.

Расстояние а выбирают из конструктивно-технологических сооб­ражений. Например, при напылении резисторов через маску размер tfmin определяется минимально возможным расстоянием между со­седними щелями в маске. Д ля обеспечения требуемой жесткости маски оно должно удовлетворять условию

B mJ a < 10. (3.24)

Если это условие не выполняется, необходимо изменить расстоя­ние а и вновь вычислить «опт, L, В. Д ля фотолитографического ме­тода указанное условие некритично.

122

Приведенные расчетные соотношения не учитывают, что в резис­торах типа «меандр» плотность тока в изгибах неравномерна (рис. j .15). Это приводит к сокращению электрической длины пленочного

Ь ь ь b У

ш ■* ч ш ж % : ь

а)

& \Ь % ь

й \\ьо)

■f Рис. 3.15. Распределение I плотности тока в резисторах

типа «меандр»

Рис. 3.16. Конструкции изгибов пле­ночных резисторов типа «меандр»:

а — изгиб под прямым углом; б — П-об- разный изгиб

резистора и уменьшению его сопротивления. Неравномерное распре­деление плотности тока наблюдается в пределах трех квадратов области изгиба (рис. 3.16, а, б ) .

Д л я приближенной оценки сопротивления меандра можно вос­пользоваться формулой

R ^ P s 0 ср/ * ) = р Л -( Д ля уточненного расчета с учетом изгибов конструкцию резисто­

ра типа «меандр» можно представить в виде последовательно соеди­ненных прямолинейных участков и изгибов. При этом его сопротив­ление можно определить как сумму сопротивлений прямолинейных участков и изгибов:

Ps, (3.25)

п — длина&е R n — сопротивление изгибов; т — число изгибов, прямолинейных участков; п — число звеньев меандра.

Д ля изгиба под прямым углом (рис. 3.16, a) R и = 2,55р5 , для П-образного изгиба (рис. 3.16, б) R n = 4 p s . Отсюда длина прямо­линейного участка одного звена меандра

Ь. (3.26)р sn

После этого корректируют размеры L и В с целью обеспечения заданного номинала резистора.

К вадратная или близкая к ней форма резистора типа «меандр» часто оказывается неудобной при компоновке пленочных элементов на подложке микросхемы, например, из-за отличной от квадрата

123

площади, отводимой под резистор. Тогда, зная габаритную площ адь меандра S = L B и задавшись одним из размеров меандра (напри­мер, В ' ) , определяют второй размер L ' и число звеньев меандра п':

L ' = S I B ' f n ' = L ' l t .

Пример расчета группы резисторов

Определить форму, геометрические размеры, метод изготовления и мини­мальную площадь, занимаемую резисторами на подложке, при следующих исход­ных данных: номиналы резисторов /?1==6 кОм, /?2= 1 кОм, # 3= 1 0 0 кОм, допу­стимое отклонение сопротивления резисторов от номинала y Ri = 5 °/о, y Ri R = 15%; мощности рассеяния Я, = 10 мВт, Р 2= 3 0 мВт, / 53= 1 6 мВт; диапазон температур —20-4-100° С; погрешность воспроизведения материала резистивной/ пленки у = 2 ,5 % ; погрешность старения резистивной пленки -у/?ст = 0 ,3 % . f

Определяем оптимальное сопротивление квадрата резистивной пленки п | формуле (3.1): I

/-'6 + 100 + 1 п „

Г /6 -+ 1/100 + 1 = 9 'з 4 к 0 я / а -

По табл. 3.4 выбираем материал резистивной пленки с ближайшим к p s onT значением ps — кермет К-50С. Его параметры: p s= 1 0 кОм/D , TRR = —5Х Х Ю -4 1/°С; Ро = 20 мВт/мм2.

Проверяем правильность выбранного материала. В соответствии с вы раж е­нием (3.2) температурная погрешность у Л/ = 5-10~4-8 0 -100 = 4%, а допустимая погрешность коэффициента формы для наиболее точного резистора по (3.3) УКфДоп1 = 5—4—0,3—2,5<0. Это означает, что изготовление первого резистора с заданной точностью из данного материала невозможно. Необходимо выбрать другой материал с меньшей температурной погрешностью или изготовлять рези­стор Ri с меньшей точностью и последующей подгонкой его до точности 5%.

Допустим, что по условиям производства подгонка нежелательна. Выбираем другой материал. Наименьшую температурную погрешность имеет сплав РС-3001. Его параметры: ps = 2 кОм/D , Т К R = —0,2-10-4 1/°С, Р0= 20 мВт/мм2.

Определяем температурную погрешность сплава PC-3001: у и ( = 0,2- 10_4Х X 8 0-100= 0 ,16% . Допустимая погрешность коэффициента формы для первого* наиболее точного резистора у*фД°п1 = 5—2,5—0,16—0 ,3 = 2 ,04% . Соответственно для второго и третьего резисторов у^ф Д оп2=15—2,5—0,!6—0,3 = 12,04%. Сле­довательно, сплав РС-3001 подходит для изготовления всех резисторов с задан­ной точностью без подгонки.

Определяем форму резисторов по коэффициенту формы (3.4): Кф1 = 3 — ре­зистор Ri прямоугольной формы типа полоски, /СФ2= 0 ,5 — резистор /?2 прямо­угольной формы, но его длина меньше ширины, /Сфз= =50— резистор /?3 сложной формы.

Д алее анализируем технологические возможности и выбираем метод фор­мирования конфигурации резисторов.

С точки зрения технологичности все резисторы целесообразно изготовлять одним методом (см. табл. 3.15). Если метод изготовления заранее не задан, большая часть резисторов имеет прямоугольную форму и нет ограничений по площади подложки, то целесообразно выбрать масочный метод. С помощью это­го метода можно изготовить резисторы типа «меандр» лишь с точностью ± 20%. Поскольку по условию точность изготовления резистора R i = ± 5 % и требуется,, чтобы резисторы занимали минимальную площадь, для данного случая следуе^ выбрать фотолитографический метод и выполнять резистор в виде меандра.

По табл. 3.15 определяем технологические ограничения для метода фотоли тографии Д/ = ДЬ = 0,01 ММ, Ьтехи = техн = 0,1 мм, a min = 0,l мм, &mtn = Q,l мм.”

Далее проводим расчет последовательно для каждого резистора.

Р а с ч е т р е з и с т о р а Я i

Расчетную ширину резистора определяем по выражениям (3.5) — (3.7):

6Т0ЧИ= (0,01 + 0 ,0 1 /3 ) /0 ,0 2 0 4 = 0,654 мм,

' = / 10/(20-3) = 0 ,4 0 8 мм.

С учетом округления принимаем &i = 0,66 мм. Длина резистора по (3.8)/, = 0 ,6 6 -3= 1 ,98 мм. Полную длину резистора с учетом перекрытия контактных площадок (не определяется при методе двойной фотолитографии) находим по (3.9): /поля— 1,98+2-0,1 = 2 ,1 8 мм. Площ адь резистора по (3.10) 5] = 0,6 6 -2 ,1 8 =

* = 1,439 мм2.Д ля проверки определяем действительную удельную мощность и погрешность

изготовления резистора R { по формулам (3.15) — (3.17):

P q i— 10/1,439 = 6,95 мВт/мм2 < 2 0 мВт/мм2,

, = ( 0 , 0 1 / 2 , 1 8 ) + (0 ,01/ 0 , 66) « 0 ,0 1 9 < 0,0204,Ф1

= 2 ,5 + 0 ,16 + 0 ,3 + 1,9 = 4 ,86% < 5 % .

^ Р а с ч е т р е з и с т о р а R 2

Поскольку коэффициент формы резистора R2 меньше единицы, расчет начи­наем с определения длины по формулам (3.11) — (3.13):

= / ( З Э - 0 ,5 ) / 2 0 = 0,866 мм; / Т0ЧН2 = (0 ,0 1 + 0 ,0 1 - 0 ,5 ) /0 ,12 = 0,125 мм; 1те*„

г выбираем по табл. 3.15. Д ля метода фотолитографии /техн = 0,1 мм. Окончатель­но с учетом шага координатной сетки /2= 0 ,8 7 мм. Расчетная ширина по (3.J4) 62= 0,87/0,5 — 1,74 мм. Полная длина с учетом перекрытия контактных площа­док /поли2=0,8 7 + 2 -0 ,1 = 1,07 мм. Площадь резистора S 2— 1 ,07-1 ,74= 1,86 мм2.

Д ля проверки определяем действительную удельную мощность и погреш­ность изготовления резистора R2 по формулам (3.15) — (3.17):

^02 ~ 3 3 /1,86 = 16,1 мВт/мм2 < 2 0 мВт/мм2 ,

= (0 ,0 1 /1 ,0 7 )+ (0 ,01 /1 ,74 ) = 0,015 < 0 ,1 2 ,

= 2 ,5 + 0 ,16 + 0 , 3 + ! ,5 = 4 ,46% < 15%.

Р а с ч е т р е з и с т о р а R 3

После определения /<ф и выбора формы резистора находим ширину рези-' стора R 3 типа «меандр» по формулам (3.5) — (3.7):

0,01 + 0 ,01 /50 f 16*гочвЗ = --------- — ------- = 0,085 мм; bp% = 1 / « 0 ,1 2 6 мм;

^техн — 0,1 мм.

С учетом округления 63 = 0,130 мм.Длина средней линии меандра по (3.18) Un — Q, 1 3 -5 0 = 6 ,5 мм. Задаем ся

ч расстоянием между соседними звеньями меандра. Д ля метода фотолитографии 'О табл. 3.15 Ujxiinz=— 0,100 мм. Пусть a3— b3= 0 ,1 3 > мм. Ш аг одного звена по

^гЗ.19) t = 2 b ? = 0.26 мм. Оптимальное число 'звеньев меандра по (3.11)/lour — ] /’(0,13*5Э)/0,2б = 5. Длина меандра по (3.22) L = 5 -0 ,2 6 = 1,3 мм. Ш и­рина меандра по (3.23) В = ( 6 , 5 —0 ,1 3 -5 ) /5 = 1,17 мм.

125

Проведем уточненный расчет резистора R 3 с учетом неравномерности плс- «ости тока в изгибах.

Топология резистора с п — 5 приведена на рис. 3.17. Выделим элеме! Л -образны х изгибов, так как а = Ь , Количество элементов изгибов т = п (с •.

том двух приконтактных областей гибов). Сопротивление П-образных гибов R n = Aps. .0 -

Рассчитаем длину прямолинег участков по (3.26): г'

100— 5-4 -2 >/ п = -------- — ---------0,13 = 0,78 if.

2*5 I

Окончательные габаритные ра? резистора: длина L по (3.22) L=2 X (0,13+0,13) = 1,3 мм, ш и р и н а '-i (рис. 3.17)

Б = / в + 4А = 0 ,7 8 + 4 - 0 ,1 3 = 1,3 iГабаритная площадь резистора 5

= L f i= 1 ,3 -1 ,3 = 1,69 мм2.Проверка расчета резистора R 3 по

формулам (3.15) — (3.17):Рис. 3.17. К примеру расчета рези­

стора типа «меандр»

P qз = 16 /1,69 = 9 ,47 мВт/мм2 < 20 мРт/мм2;

= (0 ,01 /0 ,13) +- (0,01/0,13»53) = 0,978 < 0,12

Y^ 3 = 2 , 5 +- 0 ,1 6 + 0 ,3 -+ 7 ,8 = 10,76% < 15%. К.Проверки показывают, что все резисторы спроектированы удовлетвор

•тельно.

Расчет тонкопленочных конденсаторов. Все характеристики тон­копленочных конденсаторов: емкость, рабочее напряжение, темпе­ратурный коэффициент емкости, частотные свойства и размеры — зависят от выбранных материалов, параметры которых рассмотре­ны в § 3.2.

Рис. 3.18. Конструкция тонко­пленочного конденсатора с пло­щадью верхней обкладки бо­

лее 5 мм2

Рис. 3.19. Конструкция конден­сатора с расчетной площадью

от 1 до 5 мм2

Емкость тонкопленочных конденсаторов определяется площадью перекрытия его обкладок (активной площадью или плошадью верх­ней обкладки). Н а рис. 3.18 приведена конструкция конденсатора

126

°ощадью верхней обкладки более 5 мм2. Так как верхние обклад- 'Ъормиру-ют масочным методом, то для устранения погрешности Тещения маски в месте вывода верхней обкладки с противопо- гюй стороны от вывода делают компенсатор. При значительной

'■щади верхней обкладки эта погрешность мала и компенсатор ■цен. При активной площади пленочного конденсатора менее

~aJ ’ начинает оказываться краевой эффект, причем тем сильнее, i'fi - эньше площадь. При активной площади от 1 до 5 мм2 обклад-

щенсатора можно выполнять в виде двух взаимно пересекаю- Kfir ,i полосок (рис. 3.19). Если расчетная площадь конденсатора

ие 1 мм2, конденсатор можно выполнять в виде последователь- • уединенны х конденсаторов (рис. 3.20). Если расчетная площ адь

•iC. 3.20. Конструкция конденсатора расчетной площадью менее 1 мм2 в

иде двух последовательно соединен­ных конденсаторов

КЧЧЧЧЧЧЧ1

Рис. 3.21. Конструкция конденсатора, состоящего из двух последовательно соединенных конденсаторов, исполь­зующих в качестве диэлектрика под­

ложку

шком мала и не позволяет конструировать конденсатор приемле- , размеров, можно использовать в качестве диэлектрика подлож-

су (рис. 3.21), которая должна быть пригодна для напыления -бкладок с обеих сторон. Можно конструировать такж е гребенча­тый конденсатор (рис. 3.22). Емкость такого конденсатора почти целиком определяется емкостью, обусловленной краевым эффектом.

Потери в обкладках зависят от расположения выводов нижней и верхней обкладок по отношению друг к другу. На рис. 3.23 приве- тены конструкции конденсаторов с одно- и двусторонним располо-

Рис. 3.22. Конструкция гребенчатого конденсато­

ра

Рис. 3.23. Конструкция конденсатора с двусторонним, (а) и односторонним (б) расположением выводов верхней

и нижней обкладок

жением выводов. Предпочтительнее второй вариант, так как на час­тотах выше 10 МГц емкость конденсатора с ростом частоты падает

;дленнее при двустороннем (рис. 3.23, а ) , чем при одностороннем \Рис. 3.23, б) расположении выводов.

М инимальная толщина диэлектрического слоя ограничена требо­ванием получения сплошной 'пленки без сквозных отверстий и с за-

127

дайной электрической прочностью, а максимальная толщина огра­ничена механическими напряжениями в растущей пленке. Толщину диэлектрика определяют по формуле

(3.27)

где К 3 — коэффициент запаса электрической прочности (для пле­ночных конденсаторов Д'3 = 2 -ьЗ); Upaб — рабочее напряжение, В: £пр — электрическая прочность материала диэлектрика, В/мм.

Суммарную относительную погрешность емкости конденсатора определяют по формуле

где ус0— относительная погрешность удельной емкости, характе­ризующая воспроизводимость удельной емкости в условиях данно­го производства (зависит от материала и погрешности толщины диэлектрика и составляет 3—5 % ); ys — относительная погреш­ность активной площади пленочного конденсатора (зависит от точ­ности геометрических размеров, формы и площади верхних о б кл а­док конденсатора): у ct — относительная температурная погреш­ность (зависит в основном от ТКС материала диэлектрика); Усст — относительная погрешность, обусловленная старением пле­нок конденсатора (зависит от материала и метода защиты и обыч­но не превышает 2—3 % ).

Относительная температурная погрешность

где ас — ТК С материала диэлектрика, определяемый по табл. 3.6. Относительная погрешность активной площади конденсатора

ширины верхней обкладки.Относительная погрешность активной площади конденсатора

(площади перекрытия обкладок) минимальна, если обкладки име- ■Ют форму квадрата. Отклонение контура верхней обкладки от квадрата сопровождается увеличением ys-

Д л я учета этих отклонений используют коэффициент формы об­кладок

Тогда относительную погрешность активной площади конденса­тора при AL = AB можно определить по формуле

Yc = Yc„ + Ys + Yc, + YcCT, (3.2:

Yc, = а с (Т шах — 20°С), (3.29)

M B - f ДBLLB

(3.30)

где AS, AL, ДВ — соотвётственно погрешности площади, длины и

К Ф= Ц В . (3.31)

(3.32)

128

Дли обеспечения заданной точности емкости при изготовлении конденсатора необходимо, чтобы выполнялось условие

( 3 ' 3 3 )

где Y'sдоч — максимально допустимая относительная погрешность активной площади, которая может быть определена как

Ys.tou^ Y c -Y c o “ Ус( - YсСг. (3.34)

Из выражения (3.33) следует, что при выбранном из тополопн чееких соображении значении коэффициента формы площадь верх­ней обкладки

^ ( I + V . (3.35)

Если равенство выполняется, то получаем выражение дляудельной емкости:

c „ „ , , , = c ( i ) 21T^ r . (3.36,

В частном случае, когда Кф=1 (для обкладок квадратной фор­мы) , приведенные выражения упрощаются:

2 д £ / К 5 < у5д011. (3.37)

S > 4 0U/vs, J 2, (3.38)

Co,„™=C[vSjo,/(2Ai)p. (3,39)

П о р я д о к р а с ч е т а

1. Выбирают материал диэлектрика по рабочему напряжению в соответствии с данными, приведенными в табл. 3.5. Чтобы конден­сатор занимал как можно меньшую площадь, нужно выбирать м а ­териал с возможно более высокими диэлектрической проницае­мостью, электрической прочностью, а также малыми значениями ТКС и tg б.

Приведенное в габл. 3.5 значение удельной емкости С0 соответ­ствует определенной толщине диэлектрика без учета точности изго­товления конденсатора.

2. Определяют минимальную толщину диэлектрика из условия электрической прочности (3.27). Толщина должна быть в пределах 0,1 — 1 мкм, в противном случае следует выбрать другой материал диэлектрика. При толщине диэлектрика менее 0,1 мкм в нем воз­можны поры, что может привести к короткому замыканию обкладок. При толщине диэлектрика более 1 мкм возможен разрыв верхней обкладки в месте вывода из-за большой ступеньки по толщине плен­ки. Оптимальная толщина диэлектрика 0,3—0,5 мкм.5— 449 129

3. Определяют удельную емкость конденсатора (пФ/см2), исхо­дя из условия электрической прочности:

C0i/ = 0,0S85s/«r. (3.40)

Здесь d в см.4. Оценивают по (3.29) относительную температурную погреш­

ность.5. Определяют по (3.34) допустимую погрешность активной пло­

щади конденсатора. Если увдоп^О, то это означает, что изготовле­ние конденсатора с заданной точностью невозможно, нужно выбрать другой материал диэлектрика с меньшей температурной погрешно­стью. Уменьшить погрешность старения можно за счет дополнитель­ной защиты микросхемы от влаги.

6. Определяют удельную емкость конденсатора с учетом точно­сти его изготовления по (3.36), для обкладок квадратной формы — по (3.39); погрешность длины AL находят по табл. 3.15 для масоч­ного метода.

7. Выбирают минимальнее значение удельной емкости конденса­тора, учитывая электрическую прочность и точность изготовления:

8. Определяют коэффициент, учитывающий краевой эффект:

Если площадь перекрытия обкладок меньше 1 мм2, необходимо взять другой диэлектрик с меньшим значением s, или увеличить толщину диэлектрика s в возможных пределах, или конструировать конденсатор специальной формы (см. рис. 3.20—3.22).

Если площадь перекрытия обкладок больше 200 мм2, требуется взять другой диэлектрик с большим значением в, либо уменьшить толщину диэлектрика d в возможных пределах, либо использовать в ГИС навесной конденсатор, удовлетворяющий исходным данным.

10. Определяют размеры верхней обкладки конденсатора. Д ля обкладок квадрат ной формы (Кф =1)

Размеры L и В округляют до значения, кратного шагу коорди­натной сетки с учетом масштаба топологического чертежа.

11. Определяют размеры нижней обкладки конденсатора с уче­том допусков на перекрытие (см. рис. 3.18, табл. 3.15):

где q — размер перекрытия нижней н верхней обкладок конденса­тора (см. табл. 3.15).

С0 < m i n {С0к, С0гочн) * (3.41)

| 1; С/С0> 5 мм2,1 1,3 — 0,06С/С0; 1 < С / С 0< 5 мм2.

(3.42)

9. Определяют площадь верхней обкладки:S = C / C 0K . (3.43)

L = B = V ' S . (3.44)

L H — В а — L -f- 2q, (3.45)

130

12. Вычисляют размеры диэлектрика:/ ;д= я д= £ н4 - 2 / , (3.46)

где f — размер перекрытпя ннжпей обкладки и диэлектрика (см. табл. 3.15). По танталовой технологии диэлектрик получают аиодн-- роваиием Та, поэтому [ = 0.

13. Определяют площадь, занимаемую конденсатором:S a= L kB k. (3.47)

Сначала проектируют обкладки конденсатора квадратной фор­мы, а при отсутствии места на чертеже топологии для расположения квадрата задаются одной из сторон конденсатора, коэффициентом формы обкладок и вычисляют размеры обкладок прямоугольной фермы.

Д ля проверки емкости в процессе или после изготовления мик­росхемы конденсатор необходимо снабдить специальными контакт­ными площадками.

Если конденсатор шунтируется резистором и при этом полное сопротивление параллельного соединения замерить невозможно, то при проектировании топологии указанные элементы рекомендуется выполнять незашуптнровапными. В этом случае окончательное сое­динение производится навесным проводником после необходимых измерений.

14. Осуществляют проверку расчета.Конденсатор спроектирован правильно, если:а) рабочий тангенс угла диэлектрических потерь не превышает

заданного:tgSpae < t g 8 . (3.48)

Если пренебречь сопротивлением выводов обкладок, то рабочий тангенс угла можно представить в виде суммы тангенсов углов по­терь в диэлектрике t g 6 mKJa и в обкладках t g 6 06:

tg spae = tg 8ДНЭЛ + tg 8об- (3.49)

Значение lg 6дцЭЛ определяют по табл. 3.5 для выбранного мате­риала диэлектрика.

Тангенс угла потерь в обкладках находят по формуле

t g s 06 ~ Y w/?o6C’ (3 '50)

где R об — сопротивление обкладок конденсатора, Ом; С — емкость конденсатора, Ф; w — угловая частота; со = 2л/тах (fmax — часто­та, Гц).

Сопротивление обкладок конденсатора зависит от его формы:

?об == Р5об "ф» (3.51 )

где ps об — удельное поверхностное сопротивление материала об­кладок (определяют по табл. 3.5);

5* 131

б) рабочая напряженность электрического поля £раб не превы­шает /:Пр материала диэлектрика:

^раб ^npt (3.52)где

£раб = £/раб АЛ (3.53)

r/ = 0,0885s/C0, см; (3.54)

в) погрешность активной площадп конденсатора не превышает допустимую:

4 * 6 < Ч о , ’ (3-55)

где Vs раб определяют по (3.32), а уйдоп— по (3.34).Если один из п. а), б) пли в) не выполняется, необходимо вы­

брать другой материал диэлектрика или изменить конструкцию конденсатора.

Если в схеме имеется несколько конденсаторов, то для изготов­ления их в едином технологическом цикле целесообразно выбирать для всех конденсаторов один п тот же диэлектрик с одинаковой толщиной, а следовательно, одинаковой удельной емкостью С0. В противном случае для напыления пленки диэлектрика конденса­торов понадобятся различные маски, а возможно, и напылитель- ные установки, что значительно усложнит технологический процесс.

Д ля нескольких конденсаторов на одной подложке расчет начи­нают с .конденсатора, имеющего наименьший номинал емкости. П ос­ле выбора материала и вычислений по формулам (3.27), (3.34), (3.36), (3.39), (3.40) определяют значение удельной емкости, при котором конденсатор будет занимать минимальную площадь па подложке:

C’0min = C’mIn/^mi,r (3-56)Окончательный выбор С0 производят по формуле

Со -^птш {Comiu, Cgi/j CqT04H|. (3.57)

Вычисляют толщину диэлектрика, соответствующую удельнойемкости С0 по (3.54). Если толщина диэлектрика не выходит запределы возможностей тонкопленочной технологии (0,1 — 1 мкм), то продолжают дальнейший расчет, если нет — выбирают другой материал.

Пример расчета конденсаторов

Определить геометрические размеры и минимальную площадь двух конден­саторов иа одной подложке, изготовленных в едином технологическом цикле, при следующих исходных данных: емкость конденсаторов C i= 1 0 0 пФ, С2 = = 2500 пФ ; допустимое отклонение емкости от номинала у с = 1 5 % ; рабочее иа- п р яж ^и е , t /Pa o = 15 В; диапазон температур = —60Ч-125°С; тангенс угла ди­электрических потерь па рабочей частоте tg 6 = 0,03; максимальная рабочая час­тота f max = 400 кГц; погрешность воспроизведения удельной емкости \ с 0 = 5%; погрешность старения \ с = ! % •

132

По табл. 3.5 с учетом изложенных рекомендаций выбираем материал диэлектрика для обоих конденсаторов — моноокись кремния. Его параметры: е = 5; tg 6 = 0,01; Е Пр = 2-106 В/см; ТКС = 2-10~4 1/'°С. Минимальную толщину диэлектрика d min и удельную емкость Ссг для обеспечения необходимой элект­рической прочности находим по (3.27) и (3.40):

Температурная погрешность емкости в соответствии с (3.29) у с( = 2-Ю _4Х Х (125—20) - 100 = 2,1 %, а допустимая погрешность активной площади конден­сатора согласно (3.34) увдоп=15—5— I—2 ,1 = 6 ,9 % .

Миннмальную удельную емкость для обеспечения точности изготовления наименьшего по номиналу конденсатора определяем по (3.39):

a AL = 0,01 мм (см. табл. 3.15).Определяем, какова должна быть .удельная емкость наименьшего по номи­

налу конденсатора с учетом технологических возможностей изготовления по площади перекрытия обкладок и толщине диэлектрика. Задаемся S min — 1 ММ2. Тогда по (3.56)

Окончательно выбираем С0= 100 пФ/мм2.Определяем, какая толщина диэлектрика соответствует выбранной удельной

емкости С0 по (3.54): d = 0,0885-5 /(100-102) = 0 ,4 4 - 10-4 см, что вполне приемле­мо для тонкопленочной технологии.

Далее проводим расчет геометрических размеров конденсаторов по форму­лам (3.42) — (3.47).

Р а с ч е т к о н д е н с а т о р а С i

Отношение C JC 0= 100/100= 1 мм2. Коэффициент, учитывающий краевой эффект, К = 1,3—0,06-1 = 1,24. Площ адь перекрытия обкладок S[ = l-1 ,24 = = 1,24 мм2; форма обкладок — перекрещивающиеся полоски (см. рис. 3.19) квад­ратной формы (К ф = 1) ; размеры обкладок L X = B X= Y 1 ,2 4 = 1,11 мм; 1щ — = Вп1 = 1,11 мм, £д1 = Вд| = 1,11+2-0,1 = 1,31 мм; площадь конденсатора по ди­электрику 5 д1= 1,72 мм2.

Проверку расчета производим по формулам (3.48) — (3.55), (3.34):

tg Вдиэл1 = 0,02 (по табл. 3 .5 ),

tg 5 pa6t = 0,02 + 0,03033 < 0 ,0 3 ;

£раб1 = 15 /(0 ,44 -13-4 ) = 0,34.106 В/см < 2 -1 0 6 В/см;

\’5 Раб1 = 0 ,0 1 -2 /V 1,24 = 1,8% < 6 ,9 % .

Р а с ч е т к о н д е н с а т о р а С2Расчет конденсатора С2 проводят аналогично.Отношение С2/С 0= 2 5 0 0 /10 0 = 2 5 мм2. Коэффициент, учитывающий краевой

эффект, k — 1. Площадь перекрытия обкладок S2 = 25 мм2; форма обкладок при-

d m\a = (3-15)/(2-1 36) = 0,225-1 )-4 см ,

C qk = 0,0885 0,225-13-4о пФ

= 0 , 1 9 7 - 1 3 5 ---------- = 197см2

пФ

С 0 min = ЮЭ/1 = 133 П Ф / М М 2 .

Таким образом, получены три значення удельной емкости:

Cov = 197 пФ /мм2; С0томи = 119 пФ/мм2; С0ш1п= 133 пФ/ым2.

5*—449 133

ведена на рис. ЭЛ 8; размеры обкладок конденсатора квадратной формы (/Сф = = l) i 25 = 5 мм, Lh2=jBh2= 5 + 2 -0,2 = 5,4 мм, ^.д2==^ д 2==5,4 -Ь2 ХХ О ,1 = 5 , 6 мм; площадь конденсатора по диэлектрику S n2 = 5 ,62 = 31,36 мм2.

Проверка расчета:

2t g B 06 ^ 2 = -------2 Л - 4 0 0 - 1 0 3 .0 ,2 - 2 5 3 0 - 10—12 = 1 , 8 8 . 1 0 - 3 ,

3tg Spa62 = 0,02 -h 0,03188 < 0,03;

£ раб2== 1 5 /(0 ,44 .10 -4 ) = 0,34-106 < 2 -1 0 6 Б /см ,

Y 5 Pa62 = 0 ,0 1 - 2 / 1 / 2 5 = 0 , 4 % < 6 , 9 % .

Проверки показывают, что конденсаторы не выходят за пределы точности, имеют запас по электрической прочности и тангенс угла диэлектрических потерь меньше заданного.

§ 3.7. Разработка топологии тонкопленочных ГИС

Разработку топологии рекомендуется проводить в такой после­довательности: составление схемы соединения элементов на пла­те; расчет конструкций пленочных элементов; определение необхо­димой площади платы и согласование с типоразмером корпуса, выбранного для ГИС; разработка эскиза топологии-, оценка каче­ства разработанной топологии и при необходимости ее корректи­ровка.

Д ля составления схемы соединений на принципиальной элек­трической схеме выделяют пленочные элементы и навесные компо­ненты, намечают порядок их расположения и проводят упрощение схемы соединений с целью уменьшения числа пересечений провод­ников и сокращения их длины.

Производят выбор материалов и расчет геометрических разм е­ров пленочных элементов. Затем приступают к определению необ­ходимой площади платы. Из технологических соображений элемен­ты микросхемы располагают на некотором расстоянии от ее края (см. табл. 3.15). Промежутки между элементами определяются технологическими ограничениями и условиями теплоотвода.

Ориентировочную площадь платы определяют по формуле

S = /f (5а/г+5лс + 5Бк + 52н.к), (3.58)ю

где К — коэффициент запаса по площади, определяемый количест- вом элементов в схеме, их типом и сложностью связей между ни­ми (для ориентировочных расчетов можно принимать /С = 2 -^3) ;S zr , Ssc, S SK— площади, занимаемые всеми резисторами, конден­саторами, контактными площадками; 5 ^ п.„ — суммарная площадь навесных компонентов, которые не могут быть расположены над пленочными элементами и занимают площадь на плате.

После вычисления ориентировочной площади платы выбирают ее типоразмер согласно табл. 3.3. Одновременно выбирают способ

134

защ иты ГИС (см. § 5.2) и в случае использования корпусов — ти­поразмер корпуса. Рекомендуемые размеры плат: 2 0 x 2 4 , 20X 16, 15Х 16, 1 5 x 8 мм и т. д.

Д алее приступают к разработке эскиза топологии. На этом эта ­пе решают задачу оптимального размещения на плате пленочных элементов, навесных компонентов и соединений между ними, а т а к ­ж е между внешними контактными площадками на плате и вывода­ми корпуса.

Д ля разработки эскизных топологических чертежей необходи­мо знать: £хему_электрическую принципиальную и схему соедине­ния элементов; форму и геометрические размеры пленочных эле­ментов и навесных компонентов; ориентировочные размеры и материал платы, предварительно выбранный метод индивидуаль­ной герметизации, вид и размеры корпуса или метод установки платы в блоке при групповой герметизации; возможности произ­водственной базы, предназначенной для изготовления разрабаты ­ваемой ГИС.

Начальный этап разработки топологии состоит в изготовлении эскизных чертежей, выполненных на миллиметровой бумаге в масш табе 10: 1 или 20: 1. М асштаб выбирают, исходя из удобства работы, наглядности и точности. Эскизный чертеж варианта топо­логии ГИС выполняют совмещенным для всех слоев.

Навесные компоненты изображаю т с соблюдением порядка рас­положения выводов. Грани навесных компонентов располагают вдоль осей координатной сетки. Если используются навесные ком­поненты с жесткими выводами, то в чертеже топологии выполняют контактные площадки (см. рис. 3.1, 2.2), которые соответствуют их цоколевке и имеют размеры, указанные в табл. 3.15. Если выводы навесных компонентов гибкие, то на чертеж выносят их изображе­ние согласно рис. 3.3, 3.5, 3.6, 3.9, 3.11.

Одновременно с размещением элементов и компонентов прово­дят линии электрической связи (проводники). Д ля экономии вре­мени на начальной стадии проводники предварительно слегка на­мечают карандаш ом в одну линию по оси проводника. Расстояние между параллельными линиями, изображающими проводники, берут с учетом ширины проводников и расстояний между ними. Линии проводят параллельно осям координат. При вычерчивании необходимо следить за тем, чтобы пленочные проводники отлича­лись от проволочных выводов навесных компонентов, навесных перемычек, места соединения их обозначают контактными площ ад­ками. Следует избегать пересечения с начерченными ранее провод­никами. После того как выполнена коммутационная схема и обеспе­чены минимальные длины проводников, а такж е минимальное число пересечений, проводники изображаю т в две линии.

Элементы ГИС, принадлежащие разным слоям, в первом эскизе рекомендуется изображать разными цветами.

При создании чертежа топологии необходимо обращ ать внима­ние на использование наиболее простых форм элементов, равномер­ность размещения элементов на плате, обеспечение удобств при вы-5** 135

полпенни сборочных операций, увеличение размеров контактных площадок, расширение допусков на совмещение слоев и т. д.

При вычерчивании элементов следует экономно использовать площадь, что достигается выбором соответствующей конфигурации (если это допускается) размещаемых пленочных элементов.

При разработке топологии нужно учитывать обеспечение воз­можности измерений электрических параметров пленочных элемен­тов (резисторов, конденсаторов и т. д .). Если структура электриче­ской схемы не позволяет этого сделать (например, параллельное соединение конденсатора и резистора), методика проверки узлов и требования к топологии, связанные с этой проверкой, должны быть определены до начала разработки топологии.

При разработке топологии необходимо обеспечить возможность выполнения требований к монтажу применяемых навесных компо­нентов, а такж е требования к сборке и защите микросхемы.

При проработке первого варианта топологии обычно не удает­ся получить приемлемую конфигурацию слоев. Работа над следую­щими вариантами топологии сводится к устранению недостатков первого варианта для того, чтобы чертеж отвечал всем конструк­тивно-технологическим требованиям и ограничениям, изложенным в табл. 3.15.

При масочном методе изготовления после окончательного р аз ­мещения элементов рекомендуется произвести раскраску слоев в различные цвета, чтобы оценить возможность изготовления масок. Маски не должны содержать провисающих участков. В случае сложной конфигурации маски проводят распределение проводни­ков на два слоя или часть проводников переносят в слой нижних обкладок конденсаторов, если это не нарушает жесткости маски для формирования нижних обкладок.

После того как окончательно выбран вариант топологии, при­ступают к изготовлению чертежей слоев микросхемы по элементам (резисторы, проводники и контактные площадки, нижние обклад­ки конденсаторов, диэлектрики и т. д .). Эти чертежи — основа для изготовления комплекта фотошаблонов и масок.

Способ н последовательность работы по размещению и выбо­ру формы пленочных элементов могут быть различными: эта рабо­та во многом определяется опытом разработчика и носит индивиду­альный характер. Д ля нахождения оптимального варианта разм е­щения элементов на плате в настоящее время используют методы проектирования топологии с помощью ЭВМ.

Оценка качества разработки тоиологии ГИС. Разработанная то­пология должна: соответствовать принципиальной электрической схеме; удовлетворять всем предъявленным конструктивным тре­бованиям; быть составлена таким образом, чтобы для изготовления микросхемы требовалась наиболее простая и дешевая технология; обеспечить заданный тепловой режимы и возможность проверки элементов в процессе изготовления. Емкостные и индуктивные свя­зи не должны нарушать нормальную работу схемы при заданных условиях эксплуатации.

136

При проверке правильности разработки топологии ГИС прини­мают такой порядок. Проверяют соответствие принципиальной элек­трической схеме; внешних контактных площадок — выводам корпу­са; конструктивно-технологическим требованиям и ограничениям согласно табл. 3.15; расчетным значениям длины, ширины и коэф­фициента формы резисторов и в случае необходимости производят корректировку размеров резисторов. Проверяют наличие в схеме пересечения пленочных проводников и защиту их диэлектриком, воз­можность контроля элементов, обеспечение нормального функцио­нирования микросхемы при заданных условиях эксплуатации. При необходимости проводят оценку емкостных и индуктивных связей.

Глава 4

КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫХ ГИС

§ 4.1. Платы толстопленочных ГИС

Платы толстопленочных ГИС должны быть дешевыми, иметь высокие механическую прочность, теплопроводность, термостой­кость и химическую стойкость.

Наиболее подходящими материалами для плат толстопленоч­ных ГИС являются высокоглиноземистая керамика 22ХС, поликор и керамика на основе окиси бериллия, электрофизические парамет­ры которых приведены в табл. 3.1.

Высокая механическая прочность керамики позволяет исполь- • зовать плату в качестве детали корпуса с отверстиями, пазами, а высокая теплопроводность дает возможность изготовлять мощные микросхемы.

Самую высокую теплопроводность имеет бернллиевая керами­ка, но в массовом производстве ее не используют из-за высокой токсичности окпсп бериллия. Керамику типа «поликор» применя­ют для создания многослойных толстопленочных БИС.

В условиях массового производства используют платы из кера­мики 22ХС, изготовляемые прессованием порошков или методом шликерного литья с последующим обжигом при температуре 1650° С.

Точность изготовления пассивной части микросхемы в значи­тельной мере зависит от плоскостности и шероховатости платы. М аксимальная кривизна поверхности (макронеровность) не д о лж ­на превышать 4 мкм на 1 мм. Шероховатость (мпкронеровность) рабочей поверхности платы должна быть не ниже 8-го класса (вы­сота неровностей 0,32— 0,63 мкм). Более высокая чистота обработ­ки поверхности платы не нужна, так как адгезия толстых пленок к шероховатой поверхности лучше, а влияние мпкроиеровностей мало сказывается на свойствах пленок толщиной 10— 70 мкм.

137

Размеры плат определяются конкретной конструкцией корпу­сов (см. § 5.2). М аксимальные размеры плат 60X 48 мм. П латы больших размеров не применяют из-за ухудшения параметров пленочных элементов вследствие коробления плат при вжигании пленок. Толщина плат 0,6— 1 мм.

§ 4.2. Пасты для толстопленочных ГИС

Нанесение материала толстых пленок, в состав которых, как пра­вило, входят металл, окисел металла и стекло, на плату осуществля­ют продавливанием через сетчатый трафарет, имеющий закрытые и открытые участки (рис. 4.1). Д ля трафаретной печати материал толстых пленок должен иметь консистенцию пласты. Пасты под­разделяют на проводящие (для проводников, контактных площа-

'ianpcdnsHue печат и

Рис. 4.1. Схема процесса траф а­ретной печати бесконтактным спо­

собом:/ — ракель; 2 — паста: 3 — трафарет;

4 — плата; 5 — отпечаток пасты

Рис. 4.2. Зависимость ps паст от концентрации металлических по­

рошков в стеклянной фритте

док и обкладок конденсаторов), резистивные и диэлектрические (для конденсаторов, изоляционных и защитных слоев).

В 'состав паст входят основные материалы, придающие,.пленкам необходимые для их функционирования физические свойства и вспомогательные материалы, придающие пастам основные техно­логические и физико-химические свойства. В качестве основных материалов в проводящие и резистивные пасты входят металлы Ag, Au, Pt, Pd, In, Os, Ro, сплавы P t —Au, P d —Ag, P d —Au, мно­гокомпонентные системы P d — P d O —Ag.

С целью экономии драгоценных металлов для формирования резисторов применяют сплавы A g—Ru, Bi— Ru, Ru— Ir и пасты на основе рутения.

Зависимость удельного поверхностного сопротивления от кон­центр адп и металлических порошков в пасте представлена на рис. 4.2’’ Основным материалом для диэлектрической пасты служит размельченная керамика с высокой диэлектрической проницаемо­стью и низким tg 6 , например керамика на основе В аТЮ 3. Д л я меж-

138

слойной изоляции используют кристаллизующиеся стекла с малым значением диэлектрической проницаемости. Д л я хорошего сцепле­ния пленки с платой и связывания частиц основного материала между собой в состав паст вводят порошок стекла (чаще всего вис­мутоборосиликатные стекла). Д ля придания пасте необходимых вязкости и поверхностного натяжения, позволяющих ей легко про­никать через трафареты и, не растекаясь, закрепляться на плате, вводят дополнительные органические вещества и растворители. ’В состав паст входит примерно 2/з основного вещества и стекла и 7з органических добавок. Характеристики проводящих, резистивных и диэлектрических паст приведены в табл. 4.1—4.3, а параметры пассивных элементов толстопленочных ГИС — в табл. 4.4.

Т а б л и ц а 4.1

Характеристики проводящих паст ( П П)

Обозначениепасты

T олщина слоя, мкм

Удельное поверхностное сопротивление

Р5 , Om/D , не более

Область применения

ПП-1 10— 20 0,05 Д ля изготовления проводников, ниж­них обкладок конденсаторов и контакт­ных площадок первого слоя с размера­ми сторон элементов не менее 0 ,2 мм

ПП-2 15—20 5,0 Д ля изготовления верхних обкладок конденсаторов, не смачиваемых припоем при лужении

ПП-3 15—25 0,05 Д ля изготовления проводников, ниж­них обкладок конденсаторов и контакт­ных площадок под монтаж навесных компонентов с жесткими выводами

ПП-4 15—25 0,05 Д ля изготовления проводящих эле­ментов, наносимых на слой диэлектрика

Т а б л и ц а 4.2

Удельное поверхностное сопротивление ps резистивных паст (П Р)

Обозначениеласты ПР-5 ПР-100 ПР-500 ПР-1к ПР-Зк ПР-6к ПР-20К ПР-50к ПР-ЮОк

Удельное по­верхностное со­противление ps, О м /П

5 100 530 ЮЭО 3J30 ,6303 20 003 53 033 130 033

139

Т а б л и ц а 4.3

Характеристики паст для диэлектрика конденсаторов ( ПК) и межслойного диэлектрика (П Д )

Обозначениепасты

Толщинапленки,

мкм

Удельная емкость С0,

пФ/см2

Танген^ угла диэлектриче­ских потерь на часто!е

1,5 МГц хЮ“ 3

Область применения

ПК 1000-30 4 3 - 6 ) 3733 3,5 Д ля диэлектрика конденсаторов, изоляции пересекающихся провод­ников

ПК 12 4 3 - 6 3 1 3 033 3,5 Д ля диэлектрика конденсаторовПД-1 6 )—73 163 2 Д ля межслойной изоляции при

двух уровнях пленочных элемен­тов

ПД-2 53—63 223 3 Д ля межслойной изоляции при трех (и более) уровнях пленочных элементов

пд-3 33—53 -- 2 Д ля верхнего защитного слоя при использовании пасты ПД-1

ПД-4 33—53 3 Д ля верхнего защитного слоя при использовании пасты ПД-2

Т а б л и ц а 4.4

Основные параметры пассивных элементов толстопленочных ГИС

Элементы

П:раметрырезисторы конденсаторы межслойная

изоляция

Толщина пленки, мкм 15—23 4 3 - 6 )(диэлектрик)

3 3 -7 3

Минимальный размер I x b , мм 0 ,8 X 0 ,8 1X1 —Диапазон номиналов 25 Ом—

1МОм53—2533 пф

“Допустимое отклонение от номина­

ла, %+ 2* ± 15 --

Температурный коэффициент со­противления ТК^?, 1/°С, при Т = = —60—125° С

* 8 -13-»

Максимальная допустимая удель­ная мощность рассеяния Ро, мВт/мм2

ОСхсо

Температурный коэффициент ем­кости ТКС, 1 /°С, при Т = —6 0 + ^ 8 5 ° С

± 3 ,5 -1 0 -4 3 • 13-4

Напряжение пробоя Unpoo, В 153 53)

* После лазерной подгонки.

НО

§ 4.3. Основные технологические операции изготовления толстопленочных ГИС

Нанесение паст. Нанесение паст можно производить двумя спо­собами: бесконтактным и контактным.

При бесконтактном способе подложку, на которую нужно нанес­ти пасту, устанавливают под сетчатым трафаретом с некоторым за ­зором; пасту подают поверх трафарета и передвижением ракеля через отверстия в трафарете переносят на подложку в виде столби­ков, копирующих отверстия в сетке (см. рис. 4.1). Растекаясь, стол­бики соединяются, образуя такой же рисунок, как на трафарете. Сетчатые трафареты изготовляют из капрона, нейлона или нерж а­веющей стали.

Качество трафаретной печати зависит от скорости перемещения и давления ракеля, зазора между сетчатым трафаретом и платой, натяжения трафарета и свойств пасты. Необходимо строго соблю­дать параллельность платы, трафарета и направления движения ракеля.

Д ля устранения неравномерности толщины резисторов рекомен­дуется составлять топологию так, чтобы все резисторы располага­лись по длине в одном направлении по движению ракеля. По этой же причине не рекомендуется проектировать длинные и узкие, а также короткие и широкие резисторы.

Из рис. 4.3 видно, что при использовании одной и же пасты ко­роткие резисторы имеют большую толщину пленки, а следователь­но, меньшее значение ps, чем длин­ные, из-за разных прогибов откры­тых участков сетчатого трафарета.

При контактном способе т р аф а ­ретной печати плату устанавливают под трафаретом без зазора. Отделе­ние -платы от трафарета осуществля­ют вертикальным перемещением без скольжения во избежание разм азы ­вания отпечатка пасты. При контакт­ном способе пасту можно наносить пульверизацией с помощью рас­пылителя. Точность отпечатка при контактном способе выше, чем при бесконтактном.

Термообработка паст. Пасты после нанесения подвергают термо­обработке— сушке и вжиганию. Сушка необходима для удаления из пасты летучих компонентов (растворителя). Сушку проводят при температуре 80— 150° С в течение 10— 15 мин в установках с инфракрасным (И1\) нагревом. ИК-излучение проникает в глубь слоя пасты на всю его толщину, обеспечивая равномерную сушку без образования корочки на поверхности.

^Вжигание производят в печах конвейерного типа непрерывного действия с постепенным повышением температуры до максималь­ной, выдержкой при ней и последующим охлаждением. Ряд печей

Рис. 4.3. Влияние ширины и дли­ны резистора на толщину отпе­

чатка (при / [ < /2, h i> h 2)

141

содержит приставки ИК-сушки, что позволяет объединить эти опе­рации.

Вначале при термообработке происходит выгорание органиче­ской связи (температура 300—400° С, при этом скорость нагрева во избежание образования пузырьков не должна превышать 20 град/мин). Во второй, центральной температурной зоне конвей­ерной печи происходит сплавление частиц основных материалов между собой с образованием 'проводящих мостиков и спекание их со стеклом и керамической платой при температуре 500— 1000° С. На выходе из печи платы охлаждаю т с небольшой скоростью во избежание их растрескивания и отслаивания 'пленок от плат.

Перед первым нанесением паст платы подвергают очистке и термическому отжигу при температуре 600—620° С. Пасты для соз- дания^проводящих слоев вжигают при температуре 750— 800° С,

Л пасты диэлектрика конденсаторов и изоляционный слой — приг)700— 750° С,^верхние обкладки конденсаторов — при 700— 720° С, ' диэлектрик 'защ итного слоя — при 620— 650° С, резисторы — при

51600— 650° С. Д л я исключения появления сквозных пор в диэлектри­ке конденсаторов его наносят в два слоя, причем каждый слой су­шат и вжигают отдельно.

Если одна и та же паста наносится на обе стороны платы, то возможны раздельное нанесение и вжигание пасты с ^каждой сто­роны, а такж е нанесение и сушка пасты с одной стороны, нанесе­ние, сушка и вжигание пасты с другой стороны при одновременном вжигании ранее нанесенной пасты.

Последовательность технологических операций нанесения и термообработки паст при производстве толстопленочной ГИС сле­дует выбирать такой, чтобы каж дая последующая операция имела более низкую температуру вжигания по сравнению с предыдущей. Последними наносят и вжигают резистивные пасты. Возможны такие варианты:

1) для схем с однослойной разводкой, содержащих проводни­ки, конденсаторы, и резисторы, — формирование проводников, кон­тактных площадок и нижних обкладок конденсаторов; формирова­ние слоя диэлектрика; формирование верхних обкладок конденса­торов; формирование резисторов;

2) для схем с двухслойной разводкой, содержащих проводники и резисторы, — формирование проводников; нанесение межслой- ной изоляции с отверстиями для контактных переходов; формиро­вание второго слоя проводников; формирование резисторов;

3) для схем с трехслойной разводкой, содержащих проводники и резисторы, — формирование проводников, шин питания и внеш­них контактных площадок, нанесение диэлектрика межслойной изо­ляции с окнами для контактов; формирование второго слоя провод­ников и контактов к первому слою; нанесение еще одного слоя изо­ляции; формирование верхнего слоя проводников; формирование защитного диэлектрика; формирование резистивных слоев.

Последовательность нанесения слоев указана для одной стороны

142

платы, при использовании второй стороны эта последовательность сохраняется.

З ащ и та толстопленочных ГИС. Ее осуществляют глазурованием поверхности сформированной пленочной структуры стеклами с низ­кой температурой размягчения, не превышающей 500° С во и збеж а­ние изменения параметров резисторов. Толщина защитного диэлек­трического слоя 30— 60 мкм, сопротивление изоляции более 1012 Ом при постоянном напряжении 100 В.

Если толстопленочная ГИС устанавливается в корпус, то защ и­ту с использованием глазурования, как правило, не производят.

Сборка. После нанесения и вжигания всех слоев пассивной час­ти схемы производят подгонку пленочных элементов, монтаж навес­ных компонентов, армирование (установку выводов) и гермети­зацию.

й)

П5}

У \ 1—I

6)

аJ S .

а)

■I

V L

Рис. 4.4. Армирование плат выводами и контактными переходами:q _ установка вывода; б — расклепывание; в — обрезание вывода для обра­зования контактного перехода; г — вывод и контактный переход после облу-

жнвания

Д ля осуществления контроля в процессе подгонки контактные площадки элементов должны быть облужены. Армирование можно производить до и после подгонки. Выводы и контактные переходы в виде проволочек (рис. 4.4, а—г) устанавливают перед подгонкойг а рамочные выводы, соединенные между собой на общей рам<ке, - - на заключительном этапе сборки перед герметизацией. После герметизации рам ку обрубают и выводы разъединяют.

Подгонка резисторов. В условиях мас­сового производства отклонение от номи налов сопротивлений резисторов може^ достигать 50%, поэтому необходимо про­изводить их подгонку. Подгонка толсто­пленочных резисторов и конденсаторов принципиально не отличается от тонко-' пленочных и производится изменением конфигурации элементов или отжигом.Используется лазерная подгонка удалением части резистивной пленки. Точность изготовления резисторов с подгонкой в условиях массового производства около 2%.

Сначала производят грубую подгонку выжиганием пленки по­перек резистора, затем точную — вдоль резистора (рис. 4.5, а). Вы­

8}

Рис. 4.5. Толстопленочный резистор после лазерной

подгонки:а — с участками грубой и точ­ной подгонки; 6 — с подгонкой

под углом

143

жигание резистивной пленки под углом (рис. 4.5, б) позволяет сов­местить грубую и точную подгонку.

Если при лазерной подгонке сопротивление резистора только увеличивается за счет уменьшения его ширины, то отжиг нагревом до температуры 400—500°С позволяет изменить сопротивление в обе стороны, поскольку при этом меняются свойства резистивных пленок.

Подгонка конденсаторов. Д л я толстопленочных конденсаторов используют воздушно-абразивную подгонку удалением части верх-

Рис. 4.6. Структурная схема технологического процесса изготовления тол­стопленочных ГИС

ней обкладки абразивом. Это сложная малопроизводительная опе­рация, при осуществлении которой возможно повреждение диэлек­трика и нижней обкладки, что снижает выход годных схем.

В толстопленочных ГИС широко применяют навесные м алога­баритные конденсаторы. М онтаж навесных компонентов произво­дят теми же .методами, что и для тонкопленочных ГИС (см. § 3.4).144

Толстопленочные ГИС герметизируют в металлополимерные, металлокерамические, керамические и пластмассовые корпусы или заливкой стеклоэмалью.

На рис. 4.6 приведена общая структурная схема технологиче­ского процесса изготовления толстопленочных ГИС. Вариант 1 ис­пользуют для схем с проволочными выводами, герметизируемых в .металлополимерные корпусы, а вариант 2 — для схем с рамочны­ми выводами, герметизируемых в керамические, металлокерамиче­ские и пластмассовые корпусы.

Последовательность операций изготовления толстопленочной ГИС, содержащей резисторы, навесные и пленочные конденсато­ры, проводники и пересечения, активные компоненты с жесткими выводами, армированной рамочными выводами, с герметизацией опрессовкой представлена на рис. 4.7.

чл

%\\rfA

iZа}

5) г) ж/

Рис. 4.7. Последовательность операций изготовления толстопленочной ГИС

После очистки и отжига платы на нее наносят и вжигают пооче­редно с обеих сторон проводящую пасту для формирования провод­ников, контактных площадок и нижних обкладок конденсаторов (рис. 4.7, а ) , после чего формируют диэлектрик для конденсаторов и пересечений проводников (рис. 4.6, б). Верхние обкладки и пле­ночные перемычки (рис. 4.7, е) изготовляют из одной пасты. Послед­ними формируют резисторы (рис. 4.7, г), имеющие самую низкую температуру вжигания. После облуживания контактных площадок

145

(верхние обкладки конденсаторов, резисторы п диэлектрик припо­ем не смачиваются, так как их изготовляют из паст, инертных к припою) производят лазерную подгонку резисторов (рис. 4.7, (5), На рис. 4.7, е, ж представлены заключительные сборочные опера­ции; установка выводов, монтаж навесных компонентов н гермети­зация опрессовкой с использованием пластмассы, после чего про­изводят обрезание рамки и разъединение выводов.

§ 4.4. Р азработка топологии толстопленочных ГИС

При разработке топологии учитывают особенности толстопле­ночной технологии, конструктивные и технологические ограниче­ния.

Последовательность разработки топологии аналогична последо­вательности, принятой для тонкопленочных ГИС (см. гл. 3).

Особенности толстопленочной технологии. Пленочные элементы могут располагаться на обеих сторонах платы. Соединения м еж ­ду/элементами, расположенными на разных сторонах платы, осу­ществляют через отверстия или внешние контактные площадки, (рис. 4.8, а, б) . Суммарная площадь элементов в одном уровне не должна превышать 70% площади рабочей стороны платы.

Г '

I___-щ.

V

Г 'и : :

'И

S)Рис. 4.8. Контактные пере­ходы для соединения эле­ментов, расположенных на

разных сторонах платы:а — через отверстие в плате; б — через боковую поверхность

платы

Рис. 4.9. Конструкции пере­мычек при однослойной раз­водке .толстопленочных

ГИС:а — проволочные; б —. пленочные

Проводники, контактные площадки, выводы. П асты для провод­ников и контактных площадок выбирают по табл. 4.2. Проводники, расположенные в нижнем слое при многослойной разводке соедине­ний, не должны находиться под резисторами, подгоняемыми л азер ­ным лучом. Минимальный размер круглого отверстия в межслойной изоляции для соединения двух уровней 0,6 мм, квадратного отвер­стия 0,5 x 0 , 5 мм. Контактная площадка над переходом долж на быть удалена от других элементов не менее чем на 0,3 мм. Пересече­ния проводников в однослойной разводке выполняют с помощьк» проволочных или пленочных перемычек (рис. 4.9, а, б).

Проволочные перемычки используют в случае навесных компо­нентов с гибкими выводами, а пленочные — с жесткими выводами. При этом размеры контактных площадок пленочных перемычек

146

должны быть на 0,2 мм больше ширины перемычки (рис. 4.9, б) с каждой стороны.

Варианты конструктивного выполнения внешних контактных площадок и выводов показаны на рис. 4.10. Отогнутый конец вы­вода не должен выходить за пределы внешнего контура контактной площ ад­ки. Внутренний диаметр контактной площадки для монтажа внешнего вы­вода должен быть больше диаметра отверстия в плате на 0,1 мм.

Навесные компоненты. Навесные компоненты — бескорпусные диоды и диодные матрицы, транзисторы, полу­проводниковые ИМС, конденсаторы, трансформаторы — могут быть с гиб­кими или с жесткими выводами.

В одной толстопленочной ГИС сле­дует применять навесные компоненты с одинаковым диаметром гибких выводов для упрощения процесса сборки. С этой же целью расположение навесных компонентов с гибкими выводами на плате целесообразно указывать техно­логическими знаками, выполненнными резистивными или диэлектрическимипастами (рис. 4.11). Навесные компоненты рекомендуется распола­гать на одной стороне платы. Допускается устанавливать их на ре­зисторах и проводниках, защищенных диэлектриком. Нельзя уста-

Рис. 4.10. Варианты конструк­тивного выполнения внешних контактных площадок и выво­

дов

Рис. 4.11. Технологиче­ский знак и место уста­новки навесного компо­нента с гибкими^ выво­дами (1 — технологиче­ский знак; 2 — место ус­

тановки)

Рис. 4.12. Конструкция контактных площадок для монтажа навесных

конденсаторов

навливать навесные компоненты на стороне платы, заливаемой ком­паундом.

Активные компоненты (транзисторы, диоды, транзисторные и д и ­одные сборки) рекомендуется располагать рядами, параллельно

147

сторонам платы. Компоненты, однотипные по расположению выво­дов, предпочтительно ориентировать одинаково. Контактные пло­щадки следует располагать напротив выводов активных компонен­тов. Контактные площадки для одноименных выводов активных компонентов рекомендуется располагать в одном ряду.

При монтаже навесных компонентов с жесткими выводами про­водники целесообразно покрывать защитным диэлектриком, остав­ляя открытыми лишь контактные площадки. Пленка диэлектрика должна отстоять от края облуженной контактной площадки на0,5 мм. Учитывая, что навесные конденсаторы имеют большой до­пуск по длине и ширине, размеры контактных площадок (мм) для них (рис. 4.12) определяют из следующих зависимостей:

^ > £ т а х + ° , 4 ММ,

^ l = ^ m l n — °>2 ММ» (4.1)Z,i-j-2Z? ^ Z inax-|-0,4 мм,

где Z-тпь Z-тах — минимальная и максимальная длина конденсатора; Z?max — максимальная ширина конденсатора; В , I — ширина и длина контактных площадок; L\ — расстояние между контактными пло­щадками.

Д ля уменьшения толщины слоя припоя контактные площадки для монтажа навесных конденсаторов допускается выполнять с про­резями шириной t не более 0,2 мм (рис. 4.12). Минимальное рассто­яние между прорезями <i = 0,5 мм. Минимальное расстояние от края контактной площадки до прорези с»i = 0 ,2 мм.

Резисторы. М аксимальное число резистивных слоев на одной сто­роне платы, выполненных из паст с различным удельным сопро­тивлением, равно трем. Резисторы рекомендуется ориентировать одинаково, а резисторы, близкие по номиналам, изготовлять из од­ной пасты и располагать на одной стороне платы. Контактные пло­щадки резисторов целесообразно располагать в одном слое с про­водящими элементами. Если принципиальная электрическая схема не предусматривает внешних выводов для каждого резистора,, то для обеспечения контроля в процессе лазерной подгонки необходи­мо создавать технологические проволочные перемычки для соеди­нения элемента с внешними контактными площадками, которые удаляют после подгонки (срывают пинцетом).

Пленочные конденсаторы. Их не следует располагать на стороне платы, заливаемой компаундом. Если пленочные конденсаторы соединены между собой, то они могут иметь общую нижнюю или верхнюю обкладку.

Основные конструктивно-технологические ограничения для тол­стопленочных ГИС приведены в табл. 4.5.

Разработка эскиза топологии. Эскиз топологии следует выпол­нять в масштабе 10: 1 или 20 : 1 на миллиметровой бумаге. Шаг координатной сетки топологического чертежа рекомендуется выби­рать равным 1 или 0,5 мм. На чертеже необходимо показывать обе стороны платы.

148

Т а б л и ц а 4.5-

Конструктивно-технологические ограничения при проектировании толстопленочных ГИС

Точность изготовления линейных размеров пленочных элементов н расстояний между ни­ми Д/, ДЬ, Аа при расположении пленочных элементов в одном слое:

для пасты ПП-3 для остальных паст

±0 ,05± 0,1

Минимальный размер резистора ftmrnX/min 0,8 X 0,8

М аксимальное отклонение сопротивления отноминала:

до подгонки - 5 0 %после лазерной подгонки ± 2 %

Минимальное расстояние а между пленоч­ными элементами, расположенными в одномслое:

для паст ПП-1, ПП-2 0,2для пасты ПП-3 0,05для пасты ПП-4 0,1для остальных паст 0,3

Минимальное расстояние с между пленочны­ 0,4ми элементами, расположенными в разныхслоях

Перекрытия е для совмещения пленочных 0,1элементов, расположенных в разных слоях

Минимальные расстояния от края платы до:пленочного элемента d 0,1края отверстия ] 0,5края навесного компонента q 1,0

Минимальные размеры контактных площа­док для монтажа навесных компонентов с ш а­риковыми или столбиковыми выводами:

т 0,2п 0,1

149

Продолжение табл. 4.5

Элемент топологии Содержание ограниченияВеличина ог­

раничения

/] —1143

ОЕГ7_

Минимальные расстояния:между краями диэлектрика и нижней об­кладки fмежду краями нижней и верхней обкла­док Рмежду краем диэлектрика и проводником в месте вывода верхней обкладки k

Минимальная площадь перекрытия обкладок конденсатора L x B

М аксимальное отклонение емкости конденса­тора от номинала, %

0,2

0,3

0,4

1,ОХ 1,0

± 1 5

Минимальная ширина проводников i: при нанесении на керамику:

паста ПП-1 паста ПП-3

при нанесении на диэлектрический слой: паста ПП-1 паста ПП-3 паста ПП-4

М инимальная ширина проводника при пайке к нему гибких выводов о______________________

Минимальные размеры контактных площ а­док a X b для монтажа активных компонентов с гибкими выводами и проволочных перемы­чек методом пайки:

при ручном монтаже: для одного вывода для двух выводов для трех выводов

при автоматизированном монтаже: для одного вывода для двух выводов для трех выводов

Минимальные размеры контактных площа- док для контроля_______

Минимальное расстояние от края активного компонента:

до контактной площадки навесного кон­денсатора гдо контактной площадки, к которой при­паивается вывод этого элемента, s до луженого пленочного элемента t

М аксимальная длина гибкого вывода навес­ного компонента без дополнительного крепле­

ния

0,20,15

0,30,2

0,4

0,3X 0,4 0,4 X 0,7 0,4 X 1,0

0,6 X 0,6 0,6 X 0,9 0,6X 1,2 0,4 ХОД

1,00,80,23,0

150

Поскольку в состав резистивных и проводящих паст входят драгоценные металлы, чем меньше суммарная площадь пленочных проводников и резисторов, тем экономичнее производство микро­схемы. Д ля учета расхода материалов на чертеже платы указы ва­ют площади элементов, нанесенных различными пастами.

§ 4.5. Конструктивный расчет элементов толстопленочных ГИС

Расчет толстопленочных резисторов. Учитывая особенности толстопленочной технологии, все толстопленочные резисторы изго­товляют с подгонкой, в связи с чем расчет резисторов на точность не производят.

Минимальный размер резистора, определяемый возможностями толстопленочной технологии, находят по табл. 4.4.

Резисторы можно располагать на обеих сторонах платы, но не более трех резистивных слоев на одной стороне. Все резисторы должны иметь прямоугольную форму. Не рекомендуется использо­вать резисторы с коэффициентом формы более 5— 6 и менее 0,2.

Исходные данные для расчета: номинал резистора Ri, кОм; мощность рассеяния Pi, мВт; относительная погрешность изготов­ления резисторов до подгонки уя, % (см. табл. 4.5); максимально допустимая удельная мощность рассеяния резистивной пленки Р 0, мВт/мм2; минимальные размеры резистора Ьт т х / т 1 п = 0 ,8 х 0 ,8 мм; ш аг координатной сетки, мм.

П о р я д о к р а с ч е т а

1. Все резисторы располагаю т в порядке возрастания их номи­налов и разбивают ориентировочно на группы так, чтобы при изго­товлении каждый резистор состоял не более чем из 5—6 квадра­тов. Разбивку проводят на основании номиналов сопротивлений и значения ps резистивных паст (см. табл. 4.2).

2. Д л я каждой группы определяют оптимальное значение удель­ного сопротивления резистивной пасты psom:

где п — количество резисторов.3. По рассчитанному значению p s -выбирают согласно

табл. 4.2 пасту с удельным сопротивлением р5, ближайшим к pSonT.4. Определяют коэффициент формы резистора:

Д л я определяют геометрические размеры резистора: ши­рину b и длину I.

•5. Ширина резистора прямоугольной формы Ьрасч долж на быть

(4.2)

= R / ? s - (4.3)

151

не меньше наибольшего значения одной из двух величин ЬР и 6тех»:6Ра с ч > т а х \Ьр, &техн}, (4.4)

где 6техи — минимальная няфина резистора, обусловленная возмож ­ностями толстоплепочной технологии; Ьтехн^О^ мм (см. табл. 4.5).

Ширина резистора из условия выделения заданной мощности

bP > V ( K PP > / P 0K ф), (4.5)

где К р — коэффициент запаса мощности, учитывающий подгонку резистора:

К р — 1 -f- у#/50. (4.6)

П р и у я = 50% Кр = 2.6. Расчетная длина резистора

расч ^расч "ф* (4-7)

Расчетные значения Ьрасч и /расч корректируют. З а длину I и ши­рину b резистора принимают значения, ближайшие к расчетным в •сторону уменьшения сопротивления резистора R h кратные шагу или половине шага координатной сетки с учетом масштаба чертежа то­пологии. Например, если шаг координатной сетки 1 мм, масштаб 10: 1, то геометрические размеры округляют до значения, кратного0,1 мм, причем ширину £>г,асч корректируют в большую, а длинуI?асч — в меньшую сторону. По откорректированному значению дли­ны резистора / в зависимости от ширины b из графиков рис.4.13, а — ж находят исправленное значение длины резистора / 11Сп р с учетом растекания паст.

Д ля резисторов, имеющих / ( ф < 1, расчет начинают с определения длины по аналогии с приведенными формулами:

расч ПТаХ \1 р , техн} 1

b > V (K p P K t)/P„, (4.8)

/ техн— 0,8 мм (см. табл. 4.5),

^расч == расч/^ф*

7. Д лина резистора с учетом перекрытия с контактными пло­щадками

полн ^нспр~Ь2б, (4.9)

где с — минимальный размер перекрытия, определяемый по табл. 4.5. Обычно значение е берут равным ширине проводника.

8. П лощ адь резистора

(4.10)

Оптимальное число паст определяют из условия, чтобы пло­щадь, занимаемая всеми резисторами на плате, была минималь­ной. Если окажется, что при увеличении числа паст выигрыш в

152

площ ади незначителен или размеры платы достаточны, то целесо­образно остановиться на меньшем числе паст. При этом погреш­ность изготовления резисторов будет тем меньше, чем меньше отли­чается форма резистора от квадрата. Д ля выбора оптимального вари ан та можно воспользоваться программой расчета толстопленоч­ных резисторов на ЭВМ (см. гл. 6).

д)

хспр->мм1

о-1-5мму/

/7/т-1К /\/

1 2 3 4 I мм 1 2 3 Ы,ммг)

испр7ММ

Ж)

Рис. 4.13. Графики корректировки длин резисторов для учета растека­ния паст

Расчет толстопленочных конденсаторов. Исходные данные для расчета: емкость конденсатора С, пФ; относительная погрешность изготовления конденсатора ус, %; рабочее напряжение Ораб, В; тех­нологические ограничения (см. табл. 4.5).

Расчет конденсаторов на точность не проводят. Если точность из­готовления конденсатора задана выше 15%, необходимо предусмот­реть участок подгонки на верхней обкладке.

153

П о р я д о к р а с ч е т а

1. В зависимости от диапазона номинальных значении выбира­ют диэлектрическую пасту по табл. 4.3. Пасты для нижней и верх­ней обкладок выбирают в соответствии с табл. 4.1.

2. Определяют площадь верхней обкладки конденсатора:5 = С / С 0. (4.11)

3. Рассчитывают геометрические размеры верхней обкладки кон­денсатора. Д л я обкладок квадратной формы

L = B = V S . (4.12)

4. Вычисляют геометрические размеры нижней обкладки кон­денсатора:

L H = B = L + 2p-, (4.13)

где р — перекрытие между нижней и верхней обкладками (см. табл. 4.5).

5. Определяют геометрические размеры диэлектрика:1 л= В я= 1 н + 2 / , . (4.14) v

где f — перекрытие между нижней обкладкой и диэлектриком (см. табл. 4.5).

6. Вычисляют площадь, занимаемую конденсатором на плате:5 Д= £ ДВ Д. (4.15)

Если 'квадратная форма обкладок конденсаторов по каким-либо причинам неудобна, конструируют обкладки прямоугольной формы, задавшись одним из размеров верхней обкладки, L или В, и опреде­ляю т второй размер, исходя из необходимой площади конденсатора и коэффициента формы обкладок.

В случае большого числа конденсаторов в схеме молено восполь­зоваться программой расчета на ЭВМ (см. гл. 6).

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Часть III

Глава 5

КОНСТРУКТИВНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТРЕБОВАНИЙ К ИМС

§ 5.1. Технические условия на ИМС

Технические условия (ТУ) на ИМС представляют собой комплекс основных требований к ней и определяют ее выходные параметры, условия эксплуатации и хранения. ТУ подразделяют на общие (ОТУ), частные (ЧТУ), временные (ВТУ) и др. Общие ТУ устанавливают заданные требования ко всем типам ИМС опыт­ного или массового производства, изготовляемых отечественной промышленно­стью. Частные ТУ определяют назначение каждого типа ИМС (ее принадлеж­ность к типу и серии ИМ С), уточняют нормы на параметры и режимы испыта­ний, устанавливают специальные и дополнительные требования. В связи с тем, что в процессе разработки, которая обычно сопровождается изготовлением опыт­ной партии ИМС, проектировщикам еще не известны точные значения отдельных параметров, выпускаются временные технические условия. ОТУ и ЧТУ взаимо­связаны и дополняют друг друга. Они обязательны для предприятия-заказчика, предприятия-разработчика и завода-изготовителя.

ОТУ на ИМС широкого применения. Согласно ГОСТ 18725— 73, ОТУ содержат требования к электрическим параметрам, конструк­ции, устойчивости к механическим и климатическим воздействиям, надежности, долговечности и сохраняемости.

Требования к электрическим параметрам и режимам. Электри­ческие параметры ИМ С при изготовлении, хранении и эксплуата­ции в режимах и условиях, допускаемых в технической документа­ции на ИМС конкретных типов, должны соответствовать установ­ленным в ней нормам. Согласно ГОСТ 17230— 71, предпочтительным является следующий ряд номинальных значений напряжения пита­ния ИМС: 1,2; 2,4; 3,0; 4,0; 5,2; 6,0; 9,0; 12,0;'15,0; 24,0; 30,0; 48,0; 100; 150; 200 В.

Требования к конструкции. Габаритные и присоединительные размеры, внешний вид и масса ИМС должны соответствовать требо­ваниям, установленным в технической документации па ИМС кон­кретных типов. Бескорпусные ИМС должны быть стойкими к про­цессу сборки. Выводы ИМС должны выдерживать растягивающие усилия и изгибы, легко паяться и свариваться.

Требования к устойчивости при механических воздействиях. ИМС должны сохранять параметры в пределах норм, установлен-

155

iiыx технической документацией в соответствии с группой жестко­сти согласно ГОСТ 16962— 71 в процессе и после воздействия меха­нических нагрузок: вибрационных с частотой 1— 2000 Гц и макси­мальным ускорением 10—20 g, многократных ударов длительно­стью 2— 6 мс с ускорением 75— 150 g, линейных (центробежных) нагрузок с максимальным ускорением 25—2000 g.

Требования к устойчивости при климатических воздействиях. ИМС должны сохранять параметры в пределах норм, установлен­ных технической документацией, в процессе и после воздействия на них следующих климатических факторов: температуры воздуха с верхними значениями + 5 5 , + 70 , + 8 5 , +'100, + 125 , + 155° С и ниж ­ними значениями — 10, — 25, — 40, — 45, — 55, — 60° С, изменения температур от верхнего до нижнего пределов (пределы выбирают из- указанного ряда значений в соответствии с ТУ на конкретную мик­росхему); относительной влажности окружающей среды (для корпусных ИМС) 98% при температуре 35° С. ИМС должны допус­кать эксплуатацию после их транспортировки при температуре —50° С. ИМС в корпусном исполнении, предназначенные для экс­плуатации в условиях тропического климата, должны быть устойчи­выми к длительному воздействию влаги, соляного тумана и среды, зараженной плесневыми грибами.

Требования к надежности. М инимальная наработка ИМС в у к а ­занных режимах и условиях должна быть не менее 15 000 ч.

Интенсивность отказов ИМС в режимах и условиях работы, со­ответствующих ТУ, не долж на превышать 3 ,7-10-5 ч_| для И М С ' первой н второй степеней интеграции и б -Ю -1’ ч-1 для ИМС треть­ей— шестой степеней интеграции.

Срок хранения ИМС. Д л я ИМС в корпусном исполнении, разм е­щенных в упаковке предприятия-изготовителя, срок хранения в отапливаемых помещениях не менее шести лет; для ИМС в бескор- пусном исполнении, размещенных в негерметичной упаковке в цехо­вых условиях при влажности не более 65% и нормальной темпера­ту р е ,— не менее 30 сут; для ИМС в герметичной или влагонепрони­цаемой упаковке предприятия-изготовителя в складких условиях — не менее двух лет; для ИМС, установленных в герметизируемые объемы, — как для корпусных микросхем. Срок хранения ИМС ис­числяют с момента изготовления.

Маркировка. На каждом корпусе ИМС должны быть отчетливо нанесены: товарный знак предприятия-изготовителя; условное обо­значение тина ИМС, месяц и две последние цифры года изготовле­ния; обозначение первого вывода, если он не указан другим спосо­бом. М аркировка долж на оставаться прочной и разборчивой при эксплуатации ИМС в режимах и условиях, оговоренных в техниче­ской документации.

Упаковка. К аж дая бескорпуспая ИМ С должна быть упакована в индивидуальную тару, защищающую ее от механических нагру­зок. Тара должна обеспечивать возможность измерения электриче­ских параметров, а такж е возможность извлечения ИМС без по­вреждений. Все ИМС должны быть упакованы в потребительскую

156

т а р у (индивидуальную или групповую), исключающую возможность их повреждения и деформацию выводов, и уложены в картонные коробки, куда вкладывают паспорт:.

§ 5.2. Конструктивные меры защиты ИМСот воздействия дестабилизирующих факторов

Основным способом защиты ИМС от воздействия дестабилизи­рующих факторов (температуры, влажности, солнечной радиации, пыли, агрессивных химических и биологических сред, механических воздействий) является г е р м е т и з ад и я. Ее осуществляют с помо­щью специально разработанных конструкций — корпусов, в которых разм ещ аю т ИМС, либо нанесением защитных материалов непосред­ственно на поверхность ИМС.

В настоящее время разработка полупроводниковых ИМС в кор­пусах, как правило, сопровождается разработкой их аналогов в бес- корпусном варианте. Бескорпусные полупроводниковые, а также гибридные ИМС разрабатываю т для эксплуатации в составе ячеек и блоков микроэлектронной аппаратуры, которые подвергают общей герметизации.

Герметизация с использованием корпусов. Корпусы ИМС класси­фицируют по форрле и расположению выводов и делят на пять ти­пов в соответствии с табл. 5.1 и рис. 5.1— 5.5 (ГОСТ 17467—79).

По габаритным и присоединительным размерам корпусы под­разделяю т на типоразмеры, каждому из которых присваивается шифр, состоящий 11з номера подтипа (табл. 5.1) и двузначного чис­л а (01—99), означающего порядковый номер типоразмера; номер подтипа и порядковый номер типоразмера дают шифр типоразме­ра. Стандартом регламентируются габаритные размеры корпусов, количество выводов, расстояние между ними, диаметр (ширина) и длина выводов и т. д. В конструкторской документации корпусам присваиваются условные обозначения, содержащие слово «Корпус», шифр типоразмера, цифровой индекс, определяющий число выводов, порядковый регистрационный номер разработки и указание на стан­д ар т (например, корпус 2103.16-8 ГОСТ 17467—79). Значительная часть используемых в настоящее время корпусов была разработа­на до введения в действие нового стандарта и обозначается согласно ГОСТ 17467— 72, в котором не были предусмотрены подтипы и от­сутствовали корпусы типа 5. Д алее, где это возможно, приводятся обозначения типоразмеров согласно новому и старому стандар­там.

В зависимости от применяемых материалов корпусы ИМС под­разделяю т на стеклянные, керамические, пластмассовые, металло- стеклянные, металлокерамические, металлополимерные, стеклокера­мические и др. Конструкции наиболее широко применяехмых для герметизации полупроводниковых ИМС корпусов показаны на рис. 5 .6—5.14, а их конструктивно-технологические характеристики даны в табл. 5.2— 5.4.

157

Рис. 5.1. Конструкции корпусов Рис. 5.2. Конструкции корпусов типа 2 под­типа 1 подтипов 11(a), 12(6), типов 2 1 (a) и 2 2 (6) с вариантами формов-14(e) с вариантами конструкций ки н конструкций выводов

выводов

а)

дами круглого сечения

Т О Ш

Т а б ли ца 5.1Типы корпусов ИМС по ГОСТ 17467—79

5 Под

тип Форма проекции кор­

пуса на плоскость основания

Расположение проекции выводов (выводных площадок) на плос­

кость основания

Расположение выводов (вывод­ных площадок) относительно

плоскости основания

1

1

11

12

13

14

Прямоугольная В пределах про­екции корпуса

Перпендикулярное, в один ряд

Перпендикулярное, в два ряда

Перпендикулярное, в три ряда и более

Перпендикулярное, по контуру прямоугольника

21

21

22

То же За пределами проекции корпуса

Перпендикулярное, в два ряда

Перпендикулярное, в че­тыре ряда в шахматном по­рядке

3

31

32

Круглая

Овальная

В пределах про­екции корпуса

Перпендикулярное, по од­ной окружности

441

42

Прямоугольная За пределами проекции корпуса

Параллельное, по двум противоположным сторо­нам

Параллельное, по четы­рем сторонам

5То же В пределах про­

екции корпусаПерпендикулярное, ' для

боковых выводных площа­док; в плоскости основания для нижннх выводных пло­щадок

На рис. 5.6, 5.8, 5.9, 5.11 и 5.13 представлены к о н с т р у к ц и и м е т а л л о к е р а м и ч е с к и х и м е т а л л о с т е к л я н н ы х к о р ­п у с о в . Корпусы состоят из металлического .дна и металлической крышки, а такж е стеклянных или керамических деталей, в которые впаяны либо впрессованы металлические выводы круглого или пря* моугольного сечения. Металлическое дно такж е спаяно или спрес­совано со стеклом или керамикой. Такие корпусы герметизируют созданием вакуумплотного соединения крышки с вваренным в ди< электрик фланцем путем пайки или сварки. М онтажная площадка, контактные площадки и выводы подобных корпусов имеют золотое покрытие толщиной 2—5 мкм для обеспечения процессов эвтектиче­ской пайки, разварки выводов и улучшения паяемости при сборке,

159

4 M L/ 7 - / ,1 — *

1 > — 1|

------- ^:з:— — ; с:

у — 1N - 7 l -

= * § f о a □ п о

а) 5)

Рис. 5.4. Конструкции корпусов типа 4 подтипа 41 с двумя вариантами формовки выводов прямоугольного сечения (а) и под­

типа 42 (б)

U U ЦТ

цГШТСГ

ш_ : П Гг n m I

Е-

Е

Рис. 5.5. Конструкция корпуса типа 5

Монтажная площадка

Ключ Л

Л-;-,! 1 ~ Г Г

, / 1 / j

. J-

- ■ “ 1 “ ^ 1 - Н

,

г ’ 1 ' „и, 1 “

Рис. 5.6. Конструкция металлокерамического корпуса 2103 (201.8-1)

^ ' [ ]

1

1

с 0 , 5 2 ~ о ,1

г * * , ,

5,6 ±0,2Монтажнаяплощадка.

КлючРис. 5.7. Конст­рукция керамиче­

ского корпуса 2103 (201.16-13,

201.16-15)

Таблица 5.2 Конструктивно-технологические характеристики корпусов

типа 2 для герметизации полупроводниковых ИМС

Условное обозначение корпуса

Вариантисполнения

Масса, г, не более

Размер монтажной:

площадки, мм

Метод к кристалла

эвтектичес­кая пайка

?епления в корпусе

посадка на клей

2103(201.8-1) мк 1,8 5 , 0 * 3,0 + +2102(201.14-10) мк 1,55 5 , 6 x 3 , 0 + —2103(201.16-8) к 1,6 5,0 X 3,0 + +2103(201.16-13) к 1,6 4,4 X 2 , 2 + +2106(201.16-17) к 2 , 0 7,0 x 3 , 5 + +2106(201.А.16-1) к 2 , 0 6 , 0X 5 , 0 + —2108(210.А.22-1) к 3 , 0 5,0X4 ,0 + +2120(210.5.24-1) к 4 , 0 7,5 X 7 , 5 + +2114(212.32-1) мк 4 , 6 6,0 X 5 , 0 + —2104(238.18-1) к 3 , 0 5,5 x 3 , 7 -ь —2205(244.48-11) к 5 , 0 0 8,0 + +2204(249.42-1) к 4 , 15 6,2 х 6,2 + +2104.18-2 к 1,6 7,0 X 3 , 5 — +2121.28-3 мк 4 , 5 5 , 0X5 , 0 — +2123.40-4 мк 6 , 0 6,0 X 5,0 — +

П р и м е ч а н и я : 1) К, М К — керамические и металлокерамнческие корпусы; 2) м е ­тод используется ( + ) и не используется (— 3) корпусы герметизируют методом шовной контактной сварки; герметичность корпусов 5-10-5 л-мкм/с .

161

Пр.. отсутствии золочения монтажной площадки для монтажа ИМ С в корпус применяют не эвтектическую пайку, а используют клей хо­

лодного отверждения. Д ля из-

нологии проводящие дорожки и контактные площадки внутри и сна­ружи- корпуса. После прессования многослойной структуры осуще­ствляют обжиг, в результате которого формируется монолитное те­ло керамического 'корпуса с встроенными проводящими д орож ка­ми. Внешние плоские металлические выводы прямоугольного сече­ния приваривают к внешним контактным площ адкам сбоку (рис. 5.7) или поверх основания корпуса (рис. 5.12). Аналогично формируются выводы и у плоских прямоугольных металлокерами­ческих корпусов (рис. 5.13).

Керамическими являются и корпусы типа 5 (см. рис. 5.5), назы­ваемые микрокорпусами или кристаллодержателями. Они представ­ляю т собой керамическую пластину, внутри которой встроены ме­таллические дорожки, а по периметру расположены металлизиро­ванные контактные площадки, используемые в качестве внешних выводов. Такая конструкция позволяет уменьшить размеры корпуса, увеличить стойкость к механическим воздействиям и улучшить схемотехнические и технологические характеристики. Благодаря бо­лее коротким выводам верхний частотный предел ИМС, помещен­ных в кристаллодержатель, увеличивается примерно в три раза по

К,

К о н с т р у к ц и и к е р а м и ­ч е с к и х к о р п у с о в (рис. 5.7, 5.12), согласно данным табл. 5.2, 5.4, обеспечиваютбольшое количество типораз­меров, хотя и обладаю т менее хорошими защитными свойст­вами и характеристиками на­дежности из-за большей хруп­кости керамического основания и крышки, если она выпол­няется тоже из керамики, и бо­лее высокого теплового сопро­тивления корпуса. Керамиче­ские корпусы изготовляют из нескольких (двух-трех) слоев керамики, на которые наносят методами толстопленочной тех-

готовления металлостеклянных корпусов используют дефицит­ные материалы — золото, ни- кель-кобальтовые сплавы, по­этому они служат лишь для герметизации ИМС специаль­ного назначения, БИ С и С БИ С с большим количеством выво­дов.

8 вывадов <Ь0£5Щ05 ' \+Ш1Ш

Рис. 5.8. Конструкция металлостеклянно­го корпуса 3104(302.8-1)

162

I

Т а б л и ц а 5.3

Конструктивно-технологические характеристики металлостеклянных корпусов типа 3 для герметизации полупроводниковых ИМС

Условное обозначение Масса, г, не более

Диаметрконтактной

М етод крепления крис­талла в корпусе Мощность

рассеяния Герметичность,корпуса площадки,

мм эвтектичес­кая пайка

посадка на клёй

при темпе­ратуре

20°С, Втл-мкм/с

3101 (301.8-2) 1,3 3 ,0 + + 0,4 6,М О - 63107 (301.12-1) 3 ,0 3,8 + + 0,5 6Д - 10-63104 (302.8-1) 1,25 3 ,0 + + — 6,1-Ю - 63203 (311.8-1) 20,0 8 ,0 + — 3 ,5 5-10—53203 (311.8-2) 20,0 8 ,0 + — — 5-10- 53204 (311.10-1) 20,0 • 8 ,0 + — 5 ,0 5-10- 5

163

Рис. 5.10. Конструкция стеклянного корпуса 4105(401.14-3)

Рис. 5.11. Конструкция металлостек­лянного корпуса 4105(401.14-4)

М<4,

I (

Рис. 5.12. Конструкции керамических корпусов 4118.24-1, 4118 24-2, 4118 24-3,4118.24-4

М онтажная ^ площадка £ -

S,2+°>3 _ I

26,5-1,15

Рнс. 5.13. Конструкция металлокерамического корпуса 4122.40-2

Т а б л и ц а 5.4

Конструктивно-технологические характеристики корпусов типа 4 для герметизации полупроводниковых ИМС

ч. -----------------------------------Метод крепления крис

Размеры талла в корпусеУс.ювное обозначение Вариант Масса, г, монтажной

корпуса исполнения не более площадки,м м эвтектичес­ н осадка

•* кая пайка на клей

4105 (4 0 1 .1 4 -3 ) С 0 ,3 5 4,9 X 2 . 0 +4105 (4 0 1 .1 4 -4 ) МС 0 ,3 5 4,9 X 2,0 + +4 1 0 5 (4 01 .14 -5 ) мс 0 , 6 4,9 X 2 ,0 +41 12(402 .16-21) к 1,6 5 , 1X3,1 ~Т~4112(4 0 2 .1 6 -2 3 ) к • 1 , 6 5 , 1X3,1 — +

165

Продолж ение табл. 5.4

Условное обозначение корпуса

Вариантисполнения Масса, г,

не более

Разм ерымонтажнойплощадки,

мм

Методкристалла

креплсиня в корпусе

эвтектиче­ская пайка

посадка на клей

4112(402 . 16 -25 ) К 1,6 5 , 1X3,1 + +4112( 402 . 16 -32) к 1,0 4,0 X 3 , 2 + —4112( 402 . 16 -33) к 1 , 0 4,0 X 3 , 2' — +4118(405 . 24-2) к 1,6 7,5 X 5 , 0 + ■ -г4118(405 . 24-4) к 1,51 7,5 X 5,0 + -г4134(413 . 48 -1 ) МС 2 , 2 0 8,0 + —4116( 427 . 18 -2 ) мк 1 , 6 7,2 X 6 , 2 — +4151(429 . 42-1) к 4 , 0 6,2 X 6,2 + —4151(429 . 42 -3 ) к 4 , 0 6,2 X 6,2 — +4151(429 . 42 -5 ) к 4 , 0 7,0 X 7 , 2 + —4151 (429.42-6) к • 4 , 0 7,0 X 7 , 2 — +4202(460 . 24-1) МС 1,9 0 80 + —4112.16-1 к 1,1 5,5 X 4 , 5 — +4112.16-2 к 1,1 5,5 X 4 , 5 + —4112.16-3 к 1,16 5,5 X 4 , 5 + —4117.22-2 мк 2 , 0 7,2 X 6,2 — +4118.24-1,3 к 1,9 5,0 X 5 , 0 + —4118.24-2,4 к 1,9 5,0 X 5,0 — +4119.28-2 мк 2 , 2 5,0 X 5,0 •— +4122.40-2 мк 3 , 0 6,0 X 5,0 — +4131.24-2 мк 2 , 9 10 , 7X8 , 3 — +4138.42-2 мк 4 , 8 1 0 , 7X8 , 3 +

П р и м е ч а н и я : 1) С, К, МС, МК.— соответственно стеклянные, керамические, м е ­таллостеклянные, металлоксрамическне корпусы; 2) герметичность корпусов •4134.48-1 и 4202.24-1 — 1-10-5 л-мкм/с , всех остальных — 5 -10—3 л-мкм/с; 3) корпусы герметизируют шовной контактной сваркой, за исключением корпусов 4105.14-3, 4134.48-1, 4202.24-1, герме­тизируемых пайкой с использованием мягких припоев ПОС-61, ПСр-2,5.

I ^

Рис. 5.14. Конструкция пластмассового корпуса 2102(201.14-1)166

сравнению с частотным пределом той же ИМС, размещенной в другом корпусе. Упрощаются технологические процессы установки п сборки крпсталлодержателей в мпкросборках п па печатных пла­тах, ремонтопригодность аппаратуры за счет упрощения процесса смепы (перепайки) микрокорпусов.

Наиболее дешевой и доступной является к о п е т р у к ц н я п л а с т м а с с о в о г о к о р п у с а (рис. 5.14). Низкая стоимость

Рис. 5.18. Конструкция металлостек- Рис. 5.19. Конструкция металло-лянного корпуса 1206 (153.15-1) стеклянного корпуса 1207

(155.15-1)

пластмассового корпуса определяется: дешевизной применяемого материала и технологии изготовления корпуса, в которой операции формирования монолитного корпуса н герметизации ИМС совме­щены; возможностью автоматизации сборки с использованием плос­ких выводов в виде рамок; возможностью осуществления групповой технологии герметизации, например литьевого прессования с помо­щью многоместных прессформ пли метода заливки эпоксидным ком­паундом в многоместные литьевые формы.

168

Рис. 5.20. Конструкция металлостеклянного корпуса 1210(157.29-1)

•449

Защитные свойства пластмассовых корпусов невысоки в связи с тем, что пластмассы обладаю т низкими влагозащитными свойства­ми; кроме того, герметичность соединений металла с пластмассой нарушается из-за большой (на порядок!) разницы коэффициентов термического расширения этих материалов. По этой причине приме­нение пластмассовых корпусов разрешено для герметизации ИМС, устанавливаемых в стационарной аппаратуре, работающей в зак р ы ­тых отапливаемых помещениях.

Д л я герметизации гибридных ИМ С необходимы корпусы с боль­шими размерами монтажных площадок. Конструкции корпусов, представленные на рис. 5.15—5.20, разрешены для применения при разработке ИМ С ОСТ 11.0737001— 75. Допускается в порядке ис­ключения использовать металлополимерные корпусы, представлен­ные на рис. 5.21— 5.23. Технические характеристики этих корпусов приведены в табл. 5.5.

[Выбор типа корпуса для ИМС и конструктивно-технологическо­го варианта его исполнения определяется условиями работы аппа­

ратуры, для которой данная ИМ С предназначена, и требованиями по сборке, установке и монтажу ИМС на печатных 'платах.

Выбор типоразмера корпуса определяется размером монтаж ­ной площадки для установки по­лупроводникового кристалла или платы ГИС, высотой ИМС, равной

/2 выводов Ф0,втх Т0ЛЩИНе подложки (для ГИС плюс высота самого высокого на­весного компонента), и числом вы­водов ИМС.

К аждый вывод корпуса ИМС имеет свою нумерацию. Н ум ера­ция начинается с вывода, распо­ложенного в зоне ключа. Ключ следует располагать в заштрихо­ванной на рис. 5.1—5.5 зоне. В качестве ключа может быть выступ, выемка, углубление или другой конструктивный знак на корпусе, знак или надпись, вы­полненные маркировкой.

Д о п у с к а е т с я применять корпу­сы с большим, чем это необходи­мо по схеме, числом выводов. При установке ИМС на печатную п ла­

ту незадействованные выводы удаляют, но нумерацию выводов со­храняют.

Бескорпусная герметизация. Н ачальным этапом герм етизации, как бескорпусной, так и с использованием корпусов, часто является

ФО, 75miп

Рис. 5.21. Конструкция металлополн мерного корпуса «Тропа»

170

п а сси ва ц и я поверхности кристалла полупроводниковых ИМ С и предварительная защита поверхности гибридных ИМС. Д л я этого в полупроводниковой технологии используют пленки SiCb, боросили­катного или фосфоросиликатного стекла толщиной около 1 мкм. В М ДП-ИМ С, где роль поверхности особенно велика, при гермети­зации в пластмассовые корпусы наряду с этими материалами целе-

Рис. 5.22. Конструкция металлополнмерного корпуса «Пенал»

сообразно применять химически чистые и электрически нейтральные полимерные материалы, например фторопласт-4, который можно нанести в вакууме в тлеющем разряде в виде пленки толщиной0,2—0,4 мкм. В гибридной технологии для предварительной защиты используют пленки ЭЮг, SiO, GeO, негативный фоторезист ФН-103 (см. табл. 3.7), для толстопленочных ГИС — стекла. Поверх этих сравнительно тонких слоев электрически и химически инертных м а­териалов при бескорпусной герметизации наносят герметики:

для герметизации полупроводниковых ИМ С — кремнийорганиче-6* 171

Рис. 5.23. Конструкция металлополимерного корпуса «Акция»Т а б л и ц а 5. 5

Конструктивно-технологические характеристики корпусов ___________ для герметизации гибридных ИМС_________________

Условное обозначение J корпуса

.'^Вариантисполнения

Масса, г , не более

Размерымонтажнойплощадки,

мм

Мощность рассеяния

при темпе­ратуре

20° С, Вт

Метод герметиза­ции кор­

пуса

12 0 3 (1 5 1 .1 4 -2 ,3 )1 2 0 3 (1 5 1 .1 5 -1 )12 0 3 (1 5 1 .1 5 -2 ,3 )

1 2 0 3 (1 5 1 .1 5 -4 ,5 ,6 )1 2 0 6 (1 5 3 .1 5 -1 )1 2 0 7 (1 5 5 .1 5 -1 )1 2 1 0 (1 5 7 .2 9 -1 )«Тропа»«Пенал»«Акция»

П р и м е ч а н и я : 1) 2) для посадки платы в к ЗК — коидеисаториая, арг ственно.

мсмсмсмсмсМСМСМПМПМП

МС и М П - орпус исполь онодуговая,

1,62 ,01.62 .4 2 ,86 .5

1 4 ,01 .5 2 , 4 1 ,8

- металлост зуют клей - лазерная с

1 5 ,6 X 6 ,21 7 ,0 X 8 ,31 5 ,6 X 6 ,2

1 4 ,0 X 6 ,2 1 7 ,0 X 1 5 ,3 1 6 ,8 X 2 2 ,5 3 4 ,0 X 2 0 ,0

8,1 X 8,1 2 0 ,1 X 8 ,1 ‘ 1 6 ,1 X 1 0 ,1

екляииые и мет; колодного отверя варка и залив

3 .2 1,6-3 .3

3 ,22 ,02 .54.6 0 ,7 0 ,6 0 ,5

1ллополнмерн сдення; 3) КС ка компаунд

КСАДСКС,АДСКСАДСКСЛСЗКЗКЗК

ые корпусы;адс , л с ,

ом соответ*

172

скую эмаль КО-97, эпоксидсодержащую эмаль ЭП-91, фторсодержа­щий лак ФП-525, эпоксидный компаунд ЭКМ ; эмали и лаки наносят

на одну, рабочую сторону кри­сталла, компаунд — на обе сто­роны и на боковые грани; эмали и лаки наносят на кристалл «с иглы» в виде растекающейся по его поверхности капли, компа­у н д — методом окунания или об­волакивания (толщина герметизи­рующего покрытия 200—400 м к м ) ;

для герметизации тонкопле­ночных ГИС — лаки ФП-525,УР-231, эмаль ФП-545; их нано­сят в электростатическом тюле распылением из пульверизатора, погружением или поливом;

для герметизации толстопле­ночных ГИС — компаунды Ф-47,ЭК-91, ПЭП-177, ПЭК-19, наноси­мые методом обволакивания или вихревого напыления до образо­вания оболочки толщиной 0,2—•1,2 мм.

Как .правило, бескорпусные ИМ С имеют прямоугольную или квадратную форму (рис. 5.24,а, б ), что более удобно для опти­

мального их размещения на под­ложки или платы в сочетании с другими электрорадиоэлемента­ми.

§ 5.3. Обеспечение тепловых режимов работы ИМС Рис. 5.24. Конструкции бескорпусных

полупроводниковых ИМС и способы Конструкция ИМС долж на их установки на плату:

быть т я к п й ч т о б ы т р п и п т а п^тгто а — ИМС серии БК734 с гибкими вывода-и ь и ь 1 d K U n , чтооы теплота, выде- ми; б _ и М С серии БК776 с жестким»ляю щ аяся при ее функционирова- выводаминии, не приводила в наиболее не­благоприятных условиях эксплуатации к отказам элементов в ре­зультате перегрева. К тепловыделяющим элементам следует отнести прежде всего резисторы, активные элементы и компоненты. М ощ­ности, рассеиваемые конденсаторами и индуктивностями, невели­ки. Пленочная кохммутация ИМС благодаря малому электриче­скому сопротивлению и высокой теплопроводности металлических пленок способствует отводу теплоты от наиболее нагретых элемен­тов и выравниванию температуры платы ГИС или кристаллов по­лупроводниковых ИМС.

17а

Введем следующие понятия, необходимые для осуществлениятепловых расчетов.

П ерегрев элемента или компонента ИМС (0 , °С), — разность между их температурой и средней температурой поверхности кор­пуса. М аксим ально допустимая температура Тта х д о п — м аксималь­ная температура элемента или компонента ИМС, при которой обеспечиваются требования к их надежности. У дельная мощность рассеяния (Ро, Вт/°С) — плотность теплового потока от элемента ИМС, кристалла или платы ИМС. Внутреннее тепловое сопротив­ление элемента, кристалла или компонента ИМС ( R t и н , °С/Вт)' — тепловое сопротивление самого элемента (кристалла, компонента) и тепловое сопротивление контакта между элементом (компонен­том) и платой (кристаллом и корпусом) с учетом теплового сопро­тивления клеевой прослойки.

Рис. 5.25. Тепловой поток от источника теплоты при различ­ных соотношениях между размерами тепловыделяющих эле­

ментов и толщиной подложки:1 — теплоотвод; 2 — слой клея или компаунда; 3 — подложка; 4 —

тепловыделяющий элемент

В случае, когда весь тепловой поток сосредоточен под элемен­том ИМ С и направлен к подложке (рис. 5.25), при соотношенииI, b ^ h тепловой поток плоскопараллелен и тепловое сопротивле­ние

где R T — тепловое сопротивление; Яп и Як — коэффициенты тепло­проводности материала подложки и клея, В т/(м -°С ); /гп и hK — их толщины; b и I — размеры контакта тепловыделяющего элемента с подложкой; h = hu + hK.

При уменьшении размеров источника тепла тепловой поток ста­новится расходящимся (рис. 5.25), эффективность теплоотвода уве­личивается и соответственно уменьшается тепловое сопротивление. Зтот ф акт учитывается функцией y (q , г):

где q — lj2h, r = b/2h, I и b — линейные размеры плоского источника теплоты.

Д ля корпусов, представленных на рис. 5.6—5.13, 5.15—5.20, зн а­чения функции y (q , г) даны на рис. 5.26.174

(5.1)

эфф — ^ т У Л У ' г )> (5.2)

0,01 0,02 0,03 о м 0,05 0,07 0,09 q а)

0,10 0,15 0,20 0,25 0.30 0.35 пS.I

OfiO 0fi5 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 6)

Рис. 5.26. Значения функции у (<7> f):а — при <7=0-ьО,1; б — при (7=0,1 +0.4J

в — при <7=0,4+1,0; г — при <7=1,0 + 4,0

Зн ая значения R t и л и R t эфф д л я каждого элемента ИМС, легко .рассчитать перегрев элементов за счет рассеиваемой мощности Р э:

0 Э “ ^э^Гвфф* ( 5 .3 )

Т ем пература элемента

^ э = 5Гк + 0 9. ^ э= ^ с + ® к + ® 9» ( 5 .4 )

где Тс — температура окружающей среды; 0 К — перегрев корпуса относительно температуры окружающей среды.

В навесных, дискретных компонентах наиболее чувствительны к перегреву области р-п-переходов. И х перегрев относительно подлож­ки определяется выражением

0 Вн=Н т вкР э. ( 5 .5 )

Д л я навесного полупроводникового компонента

Тик= + + © э + @ви* ( 5 .6 )

Перегрев корпусов 0 К определяется конструкцией корпуса и мощностью рассеяния помещенных в него кристалла или платы ИМС, особенностями монтажа ИМС в составе микроэлектронного узла или блока, способом охлаждения. Тепловое сопротивление корпуса

Я к = 1 / ( а З Д , ( 5 .7 )

где а — коэффициент теплопередачи, В т /(м 2-°С); S T — площадь теплового контакта корпуса с теплоотводом.

При охлаждении путем естественной конвекции а = 5+-20, при обдуве а = 20+-100, при теплоотводе кондукцией через тонкий (0,1 мм) воздушный промежуток а « 3 - 1 0 2, при теплоотводе кондук­цией через слой эпоксидного клея толщиной 0,1 мм а = 3-102-^-3-103, при металлическом теплоотводе а = 1 0 4-М 0 5.

Перегрев корпуса @к можно оценить по формуле

0 К = ( 5 .8 )

где Р 2 — суммарная мощность, рассеиваемая ИМС.Формула (5.4) не учитывает перегрева за счет взаимного влия­

ния тепловыделяющих элементов, обусловленного наложением теп­ловых потоков всех источников теплоты, содержащихся в ИМС. Од­нако этот фоновый перегрев частично учитывается значением 0к-

Приведенные формулы справедливы при следующих допущени­ях: коэффициенты теплопроводности всех материалов конструкции ИМ С в исследуемом диапазоне температур постоянны; теплоотда­чей через газовую прослойку внутри корпуса и через гибкие прово­лочные выводы можно пренебречь; тепловыделяющие элементы являю тся плоскими источниками теплоты; температура корпуса оди­накова во всех его точках (изотермичный корпус).176

Нормальный тепловой режим элементов и навесных компонентов И М С о б е с п е ч и в а е т с я при выполнении условий

Т ъ — 7 ’с т а х + ® К + @э < ^ т а х д о ч .(5-9)'

'Г — Т -4- в -I- 0 -I- 0 < Т1 нк — с max , v к ~ Т RH ^ max д о т

где Т е ш а х - м а к с и м а л ь н а я температура окружающей среды в про­цессе эксплуатации, заданная ТУ; Ттахдоп максимально допусти­мая рабочая температура элемента и компонента, обычно оговари­ваемая в ТУ на компоненты или материалы пленочных элементов.

Д л я дискретных полупроводниковых приборов и полупроводни­ковых ИМС Тmxs. доп~55, 85 и 125° С (см^табл . 3.9), для диодов 85° С, для конденсаторов КЮ-9, К 10-17(80}С, для конденсаторов К53-15, К53-16 75° С (см. § 3.4).

Нормальный тепловой режим ИМС обеспечивается, если темпе­ратура самого теплонагруженного элемента ИМС не превышает его максимально допустимой рабочей температуры.

Таким образом, ориентировочный расчет обеспечения теплового реж има ГИС сводится к определению Тнк и Гэ всех навесных компо­нентов и всех резисторов ГИС и сравнению ее с Гщахдоп-

Необходимые данные для расчета; толщина подложки_0,6—0,8 мм, коэффициент теплопроводности материала подложки — со­гласно табл. 3.1,{толщина слоя кле^0,1 мм, его коэффициент тепло- проводности __0,3 Вт/ (м • °С ), внутреннее тепловое сопротивление дискретных полупроводниковых приборов в зависимости от конст» руктивного исполнения 200— 1600° С/Вт. Например, для бескорпус­ных транзисторов КТ331, КТ332 с заливкой герметиком с одной сто­роны (согласно рис. 3.6) тепловое сопротивление = 220° С/Вт, а с заливкой герметиком с двух сторон R T = 1600°С/Вт, для КТ307 R T = 630° С/Вт, для КТ324 R 7 = 860° С/Вт, для диодов КД901, 904* 910, 911 (см. табл. 3.10; 3.11)R T = 2 2 0 ° С / В т .

При несоблюдении неравенств (5.9) необходимо принимать до­полнительные конструктивные ме­ры для обеспечения теплового ре­жима ИМС .

Пример. Провести ориентировочный тепловой расчет резисторов и дискретно­го транзистора фрагмента ГИС, изобра­женного на рис. 5.27, при следующих исходных данных: ГИС размещена на ситалловой подложке СТ-50-1 толщиной0,6 мм в металлостеклянном корпусе К151.14-2, посаженном с помощью клея

Рис. 5.27. Фрагмент ГИС:/ — теплоотводящая шииа (медь); V — о с ­нование металлостекляниого корпуса («в»- вар); 3 — ситалловая подложка; 4 — слоя

эпоксидного клея

(0,1 мм) на теплоотводящую шину; размеры контакта корпуса с теплоотводов, 15X7 мм; мощность, выделяемая в корпусе, 0,2 Вт; максимальная температуре окружающей среды в процессе эксплуатации ИМС 50° С. Геометрические разме­ры элементов и рассеиваемые ими мощности приведены в табл. 5.6./г Q1 Л апбл’;це расчётные значения R T и Я Тзфф получены по формулам (5.1) в (5.2), \ ( q , г) по графикам рис. 5.26, 0„ — по выражению (5.3).

177

Т а б л и ц а 5.в Исходные и расчетные значения тепловых параметров

для компонентов ГИСИсходные значения Расчетные значения

п Р5

со

UЭлемент 1 1

X X м к*£ S «С

•о О. к. >— о; Ф

КТ324 0 ,7 0 ,7 15 0,5 0 ,5 0,45 1,55-103 0,7-103 10,5Rx 5 0,5 25 3 ,6 0,36 0,53 0,3-103 0,16-103 4 ,0*2 2 0,6 60 1,4 0,43 0,54 0,63-103 0,34-103 20,4

Внутренний перегрев области р-я-перехода транзистора КТ324 [см. форму­лу (5.5) ]

0 ВН = 863-15- Ю~3 = 17,5°С.

j Оцениваем перегрев корпуса по соотношениям (5.7) и (5.8):0 К = 0 ,2 /(330 .15 -7 .10 -6 ) = б , 3°С

Принимаем максимально допустимую рабочую температуру резисторов 125° С, транзистора КТ324 равной 85° С (см. § 3.4).

Проводим оценки рабочих температур и сравнение с максимально допусти­мой температурой:

T Ri = 53 + 6 , 3 + 4 , 0 « 6 3 ° C < I 2 5 ° C , i

7 * , *= 5 3 + 6 , 3 + 20,4 и 77°С< 125°С,

Т КТ354 = 50 + 6 , 3 + 10,5 + 17,5 и 84,3°С < 8 5 ° С .Таким образом, наиболее теплонагруженным из рассматриваемых электро­

радиоэлементов является транзистор, его рабочая температура в самых неблаго­приятных условиях лишь немного меньше предельно допустимой.

В рамках допущений ориентировочного расчета можио сделать вывод, что для данной ИМС температура внешней среды 50° С является предельно допу­стимой.

В том случае, если тепловой расчет покажет необходимость при­нятия конструктивных мер для снижения перегревов элементов и компонентов ИМС, в первую очередь уменьшают тепловые сопро­тивления за счет использования материалов с более высокими -ко­эффициентами теплопроводности: поликоровых подложек вместо ситалловых, компаундов с наполнителями в виде пылевидных кв ар ­ца или кремния, увеличивающих коэффициент теплопроводности компаундов до 0,5— 0,8 и до 1,9—2,4 В т / (м -° С ) , вместо клеев с ко­эффициентами, равными 0,2—0,4. Следующим шагом для облегче­ния тепловых нагрузок ИМС является перемещение мощных тепло­выделяющих элементов с платы на металлическое основание корпу­са. Результатом такого изменения конструкции ИМ С является исключение теплового сопротивления подложки и слоя компаунда в цепи передачи теплоты мощных элементов. Дальнейшее снижение

178\

тепловых нагрузок связано с мерами по обеспечению более интен­сивного теплообмена корпуса ИМС с элементами конструкции узла или блока, вплоть до применения жидкостного охлаждения теплоот­водов и терм°электРических холодильников.

Особенность теплового расчета полупроводниковых ИМС заклю ­чается в том, что полупроводниковый кристалл можно рассматри­вать как единственный тепловыделяющий элемент и считать, что суммарная мощность источников теплоты в нем равномерно распре­делена в приповерхностном слое. Эта особенность вызвана в первую очередь высоким коэффициентом теплопроводности кремния [80— 130 В т /(м -° С )] , малыми размерами элементов и небольшими рас­стояниями между элементами полупроводниковой ИМС. Экспери­ментально установлено, что разброс температур на поверхности кристалла невелик (единицы или доли градуса).

Т е м п е р а т у р а э л е м е н т о в п о л у п р о в о д н и к о в о й ИМС

т'.^т'с + ек+вкр+е-н* (5.Ю):Условие обеспечения нормальных тепловых режимов записыва­

ется в виде5ПЭ = Псшах'4" ®К £'кр-Ь *"\ш <Ттахдсш> (5.1 1 j

где 0 Кр — перегрев кристалла относительно подложки или основа­ния корпуса.

Пример. Оценить рабочую температуру элементов полупроводниковой ИМС, потребляющей мощность 0,2 Вт, размещенной в металлостекляниом круглом корпусе с использованием эвтектического сплава. Диаметр основания корпуса 15 мм. Условия эксплуатации: Тс т а х = 125° С, охлаждение корпуса осуществ­ляется кондукцией через тонкий воздушный промежуток.

При установке кристалла непосредственно на основании металлостеклянного корпуса эвтектической пайкой hn = 0, /гк = 0, согласно (5.1) R T = 0, ©Кр = 0 и согласно (5.7) и (5.8)

0 К = 0 ,2 /(3 -1 0 2 .3 ,1 4 .7 ,5 2 .1 0 -6 ) = 3 ,7 ° С ,

е в„ = Я г в н ^ = А кР ^ М к р = (0 ,2 -Ю -з .0 ,2 ) /8 0 = 2 ,5 -1 0 -6 .0 ,2 « 0,

7’9 — 1 2 5 + 3 ,7 и 129°С < 150°С.

Можно оценить максимальную мощность, которую мог бы потреблять кри­сталл ИМС в данных условиях, сохраняя свою работоспособность:

Т'тахдоп — Т’с тах = QK = Р тах/(3- 102-3,14.7,52.10—6).

Поскольку 0кр = 0, 0 ВН« О ,

Лпах = (15Э— 125).3-102-3,14-7,52.10“ 6 « 1,3 Вт.

§ 5.4. Обеспечение влагозащиты ИМС

Общая характеристика окружающей среды и влагостойкости герметизирующих материалов. Необходимость влагозащиты ИМС возникает при использовании герметизирующих конструкций, изго­товленных с применением органических полимерных материалов (см. рис. 5.14, 5.21 5.23). В отличие от неорганических эти мате­

179

риалы обладаю т повышенными значениями влагопоглощения и вла- хопроиицаемости.

Окружающий воздух практически всегда представляет собой п а ­ровоздушную смесь. Содержание паров воды в воздухе при различ­

ных температурах определяет- ■ и,г/м3 ся из рис. 5.28. iSS Количество поглощенной гер­

метизирующей конструкцией из воздуха влаги М увеличива­ется с повышением парциаль­ного давления паров воды рн2о (закон Генри):

М = Г р п ,о, (5.12)где Г — коэффициент раствори­мости.

Коэффициент Г (с2/м2) опре­деляет количество влаги, кото­рое способен поглотить мате­риал в данных климатических условиях. Скорость процесса поглощения влаги материалом определяется коэффициентом диффузии молекул воды D (м2/с) в материале. Коэффици­ент влагопроницаемости В (с) характеризует способность м а­териала пропускать влагу и оп­ределяется количеством воды, прошедшей через мембрану из

этого материала при наличии разности давлений паров воды по обе стороны мембраны. Коэффициент В отраж ает процесс выравнива­ния концентраций влаги в двух объемах, разделенных мембраной из испытуемого материала и имеющих в начальный момент различ­ные концентрации влаги.

Коэффициенты В, D и Г связаны между собой соотношениемВ = Я Г . (5.13)

Значения коэффициентов В, D и Г различных герметизирующих полимерных материалов приведены в табл. 5.7.

Зная значения влажностных коэффициентов, можно расчетным путем оценить влагозащитные свойства материалов и герметизирую- щих конструкций на их основе.

Исходные данные для обеспечения влагозащиты ИМС. Исход­ные данные для расчета влагозащиты микросхем: Т с — температур р а окружающей среды, К; Ф — относительная влажность окруж аю ­щей среды, %; ро — парциальное давление паров воды окружающей среды, Па; р Кр — критическое давление паров воды, приводящее к отказу ИМС, П а; S — площ адь герметизирующей оболочки, через которую влага диффундирует в корпус, м2; d — толщина герметизи-

4 0 t ° £

Рнс. 5.28. Содержание паров воды в воздухе при различных температурах я относительной влажности (1 — 100%; 2 - 9 0 % ; 3 - 8 5 % ; 4 - 8 0 % ; 5 - 7 0 % ;

6 — 65%'; 7 — 50%; 5 — 40%)

180

Т абли ца 5.7Значения влажностных коэффициентов различных

герметизирующих полимерных материалов

Материал

Влажностные коэффициенты

В, с D, м '/с

Фторопласт-4 Полиэтилен Полистирол Пластмасса

К-124-38 Пластмасса

В4-70 Компаунд

Э К -16 «Б»

Кремнийорга- нический эласто­мер

Компаунд ЭКМ

Прессматериал ЭФП-63

Прессматериал К-81-39с

Порошковый компаунд ПЭП-177

Тнксотропный компаунд Ф-47

Тнксотропный компаунд ЭК-91

Таблетируемый компаунд П ЭК-19

Эмаль ЭП-91

Эмаль КО-97 Л ак УР-231

Л ак ФП-525 Клей ВК-3

Клей ВК-9

мо-1в6,27-Ю-18 4,22-10-151,66-ю -18

2,5-10 - 1»

2,08* 10-1®

8,2-10"15

4,1-10-“

1,83*10"18

3,5 -Ю -18

8,0 - 10-18

8,5* 10-1®

6.0-ю - 1®

7,8-10-1®

7.0-10“ 18

8,2-10-1®5,2-10-*®

4,5-Ю -1® 2,9-1 О**1®

3,3-10"«

8 .3 4 - 1 0 ~ 136 .4 - 10-13

3 ,3 2 - 1 0 - 118 .3 4 - 10~ 14

3 ,0 6 - 1 0 - 1*

6 .4 -1 0 " 13

8,2 - 10-12

7.1-10-**

6.1-10 - 11

8,0.10-»

1 ,1 4 -1 0 ~ 12

1 .5 - 1 0 -* 2

3 .0 -1 0 - 12

2.1-10-»*

1 ,0 8 -Ю - 12

1 ,Ы 0-‘33 ,5 -1 0 -12

1,18-1 0 -‘*8,0-10-**

6,5-Ю -13

Г, с'/м*

12,0-10-59 ,8 -10 -

12,6-10-2,0-10-

8,3 -10-

3 ,25-10-

1,0-10-

5,77-10-

3.0-10-

4,37-10-

7.0-10-

5.7-10-

2.0-10-

3.7-10-

6,5-10-

7,45-10-1,48-10*

3,8*10-3,6*10-

5,03-10-*

Назначение материала

Полый пластмас­совый корпус

То ж е

Герметизация за« ливкой, рис. 5.21—5.23

Герметизация за­ливкой

Бескорпусная н корпусная гермети­зация полупроводни­ковых ИМС, рис. 5.24, а

Корпусная герме­тизация, рис. 5.14

То же

Бескорпусная гер­метизация толсто­пленочных ГИС вих­ревым напылением

Герметизация тол­стопленочных ГИС обволакиванием

То ж е

Герметизация за ­ливкой, рис. 5.21—5.23

Бескорпусная гер­метизация полупро­водниковых ИМС, рис. 6.24, а

То жеБескорпусная гер­

метизация тонко­пленочных ГИС

То ж еГерметизация кор­

пусов клеевым швом То ж е

181

рующсй оболочки, м; V — внутренний объем корпуса, в котором происходит растворение влаги, м3; В — коэффициент влагопроница- емости герметизирующей оболочки, с, D — коэффициент диффузии молекул влаги в герметизирующей оболочке, м2/с, Г — коэффици­ент растворимости влаги в материале, окружающем ИМС, с2/м2.

Рассчитывают время влагозащиты ИМ С т, с, в течение которого обеспечивается безотказная работа ИМС. Влагостойкость ИМС оценивают из расчета влияния влаги на самый чувствительный к ее воздействию элемент или компонент ИМС.

Влагостойкость полых корпусов. Корпусы, имеющие свобод, ный внутренний объем, называются полыми. В лагозащ ита таких корпусов оценивается временем т, в течение которого давление па­ров воды внутри корпуса достигает критического значения р кр, при котором наступает отказ PIMC:

t = t04-tu (5.14)где то — время увлажнения материала оболочки; ti — время натека­ния влаги во внутренний объем корпуса.

Значение то зависит от толщины оболочки d и коэффициента диффузии D молекул воды в материале оболочки:

т 0= d 2/(6D ). (5.15)

Формула предполагает, что насыщение материала влагой осу’ществляется только путем молекулярной диффузии в оболочкукорпуса. Обычно tq следует учитывать при толщине оболочки корпуса d > 0 , l мм.

Время натекания влаги

t l = J H l n ( --------—------- ) . (5 .1 6 )BS I Р о - Р к р )

Тогда время т составит

™ 1П/------ Ео------ (5.17)BS V Ро~Ркр I

В большинстве случаев внутри полых корпусов находится воз< дух, который обладает определенной влажностью. Если в началь­ный момент времени в корпусе ИМС имеется влага с парциальным давлением ра, то % уменьшается:

V T d . In

BS

P a iP w Pa)

(Po Ркp) (Po Ph) 6 D(5.18)

В формулах (5.16) — (5.18) Г — коэффициент растворимости влаги в воздухе, равный 7 ,4 -10-6 с2/м 2.

Если для герметизации ИМ С выбран стандартный пластмассо* вый или металлополимерный корпус, то время влагозащиты рас­считывают, исходя из влажности внешней среды в условиях хране­ния и эксплуатации ИМС и давления ркр. В зависимости от чувст­вительности к влаге элементов ИМС значение ркр можно принять

182

равным 0,85— 0,95 р0, так как при этих значениях ркр влага приво­дит к внезапному или к постепенному отказу ИМС.

Пример. Определить время влагозащиты ИМС в металлополимерном корпу­се при 7’= 2 9 3 К, V = 2 - 10-7 м3, cf = 3• 10“ 3 м, 5 = 5 ,3 -10"6 м2. Использован за ­ливочный компаунд Э К -16 «Б».

О п р е д е л я е м время насыщения влагой компаунда по (5.15):

(3 -1 0 -3)2тз0 = — —----- -— - = 2 ,2 6 -Юбс « 26 сут.

0 6 .6 ,4 -10-13 J

Полагая, что в начальный момент влага внутри корпуса отсутствует, нахо­дим время накопления влаги внутри корпуса до давления паров ркр по (5.16), используя данные табл. 5.6:

2 -1 0 -7 .7 ,4 .1 0 -б .З -Ю -з , / 1 \г. = -------------------------------------- In ----------- — = 12,1-106 ss 140 сут.

1 5,3-10-6.2,08.10-16 \ 1 — 0,95 /

Общее время влагозащитыX = 26 + 143 = 166 с у т . '

Если внутри корпуса содержится некоторое количество влаги, например р в = 0,оро, и по-прежнему рКр=0,95ро, то время диффузионного натекания влаги

2.10-7-7,4-10-6.3.10-3 . 1 (0 ,95-0 ,5) ^ _•е, — ----------- '------------------- In -------- ---------------------= 11,6о-106 с и 135 сут.1 5,3.10-6-2,08-10-16 (1 — 0,95) (1 — 0,5)

Общее время влагозащиты-0 = 2 6 + 1 3 5 = 161 сут.

При заполнении внутреннего объема корпуса кремнийорганическим эласто­мером, имеющим коэффициент Г = Ы 0 -3 с2/м2, при ркР = 0,85ро время натекания влаги

2-10-7 . Ю—з . 3- Ю-з . / 15 ,3 -1 0 -6 .2 ,0 8 .1 0 -6

При /?н = 0,5р0

In ( ------ --------) = 10,2*108 с « 1180 сут а: 32,3 года.\ 1— 0,85/

2-10-7-10-3-3.10-3 , 1(0,85 — 0,5)Х1 = 1 п --------------5 ,3 -1 0 -6 .2 ,0 8 -1 0 -6 (1 — 0,85) (1 — 0,5)

= 8 ,3 5 -108 с « 9703 сут « 24,5 года.

Приведенные расчеты предполагают отсутствие пор, трещин в герметизирую­щем материале и других путей ускоренного поступления влагн в корпус. Путем ускоренной диффузии влаги может произойти поверхностная диффузия по гра­нице раздела выводов с герметизирующим покрытием, что уменьшает время т.

С другой стороны, расчет не учитывает явлений адсорбции влаги на внут­ренних стенках полого корпуса, которые должны повысить т. Тем не менее в приведенном примере герметизация с использованием эластомера удовлетворяет ТУ на срок хранения ИМС.

Влагостойкость монолитных корпусов. Потеря работоспособно­сти ИМС, герметизированных в монолитные .корпусы (см. рис. 5.14), вызывается поглощением герметизирующим материалом влаги и увлажнением поверхности ИМС. При достижении критической кон­центрации, соответствующей критическому давлению ркр паров во­ды, наступает отказ ИМС. Время, в течение которого на поверхно-

183

сти ИМ С достигается критическая концентрация влаги, определяют из выражения

4d2)т = ----------- In

лЮЯ2 ( J Р кр

Pq(5.19)

К ак видно, оно определяется толщиной герметизирующего мате­риала, коэффициентом диффузии молекул воды в нем и отношением Ркр/Ро- Формула (5.19) предполагает, что с поверхностью ИМС по­лимер имеет слабую адгезию.

Пример. Определить минимальную толщину монолитного пластмассового корпуса, обеспечивающего безотказную работу ИМС в течение 30 сут при Рыр=* =0,9ро. М атериал корпуса — пресспорошок ЭФП-63.

Из (5.19) и табл. 5.6 находим

/ L142 .30 .2 ,4 -3630 .6 ,1 .10-13------- —-----------;-------- ---------= 1,36* О- 3 м = 1,3 6 мм.

41п[3,142/8(1 — 0,9)]

Герметизирующая оболочка такой толщины обеспечивает требуемую влаго* защиту при отсутствии в ней дефектов.

Глава 6

АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНСТРУИРОВАНИЯ ИМС

§ 6.1. Специализированная система автоматическогопроектирования топологии ИМС

Разработка топологии современной ИМС является сложным и трудоемким процессом. Конечный результат часто зависит от инту­иции и опыта разработчика, которому приходится создавать и ана­лизировать многие варианты топологии для выбора окончательного решения. В этом окончательном варианте должны быть учтены в соответствии с ТЗ одновременно схемотехнические требования, кон­структивные и технологические ограничения, которые часто проти­воречат друг другу. Конструктору приходится проводить многократ­ные проверки разработанной технической документации. Использо­вание программно-управляемого оборудования в производстве ИМС (например, фотонаборных установок для изготовления фотошабло­нов) требует подготовки больших массивов информации, так как даж е в одном слое современной БИ С содержится до 50 тыс. коор­динат точек. Без средств вычислительной техники выполнить весь объем работ затруднительно, а в ряде случаев и невозможно. С дру­гой стороны, труд разработчика, как и всякий творческий процесс, трудно поддается формализованному описанию и требует очень сложного программного обеспечения. Это в свою очередь вызывает необходимость использования вычислительных машин, обладающих большой памятью и быстродействием.

Оптимальным вариантом решения задач конструирования яви­лось создание систем автоматического проектирования (САПР) с участием разработчика, в которых разработка топологии ИМС ве­184

дется в форме «диалога» человека с машиной. Применение СА П Р во много раз повышает эффективность труда разработчика, позволя­ет св ест и к минимуму возможность появления ошибок, а такж е более полно использовать творческий потенциал разработчика, ос­вобождая его от рутинного труда. В системах автоматического проектирования предусмотрен ввод и вывод информации в форме, удобной для разработчика, не являющегося специалистом в облас­ти программирования. Хранение исходной, промежуточной и окон­ч а т ел ь н о й информации и выдача ее разработчику производится на любом этапе работы. Система контролирует действие разработчика и оперативно информирует его о допущенных ошибках. Примером такой «диалоговой» системы, предназначенной для автоматизации проектирования гибридных и полупроводниковых ИМ С и БИ С, яв ­ляется отечественная система «Кулон» (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Программно-аппаратный комплекс системы «Кулон»

Система обеспечивает выполнение следующих функций: ввод графической информации с топологического чертежа, гео­

метрия элементов которого представляет: прямоугольник со сторо­нами, параллельными осям кородинат; прямоугольник со сторона­ми, имеющими наклон относительно осей координат; многоуголь­ник со сторонами, параллельными одной из осей координат или образующими угол 45° с осями; описание проводников заданной ши­рины (трассировка); формирование библиотеки элементов тополо­

185

гии; отображение вводимого фрагмента топологии на экране графи­ческого дисплея;

перемещение, стирание, копирование, повороты и зеркальное ото­бражение фрагментов топологии с помощью графического дисплея;

проверку минимальных расстояний между элементами топологии в одном и в разны х слоях;

вывод топологической информации на графопостроитель;

формирование массива координат точек для изготовления фотошаблонов.

Д л я оперативного ввода и вывода информации служат два поста опера­торов. К аж ды й пост имеет в своем сос­таве пульт управления и контроля, символьный и графический дисплеи, устройство управления положением маркера (светового знака) на экране графического дисплея, полуавтомати-

Рис. 6.2. ЭВМ «Электроника Рис. 6.3. Внешнее запоминаю-100-25» щее устройство ЭВМ

ческий кодировщик графической информации. Все эти устройства сопрягаются с ЭВМ «Электроника 100-25» (рис. 6.2) через интер­фейсный блок.

Ввод информации в систему может производиться в цифровой

или текстовой форме, а такж е в виде координат точек с топологи­ческого чертежа.

Вывод результирующей графической информации производит­ся с помощью автоматического графопостроителя в виде топологи­ческих чертежей слоев ИМ С на бумаге. Возможен такж е вывод результирующей информации в виде массива координат точек з а ­данного слоя топологического чертежа с помощью мозаичного печатающего устройства DZM-180 на языке генератора изображ е­ний. Эти данные являются исходными для фотонаборной установ­ки автоматизированного изготовления фотошаблонов слоев И М С и БИС.

Рис. 6.4. Пульт управления и конт- Рис. 6.5. Символьный дисплей роля

Программно-аппаратные средства системы «Кулон» позволяют одновременно работать двум разработчикам, проектирующим раз­личные ИМС. В течение определенного времени каждый разработ­чик получает необходимые для проектирования ресурсы системы. Работа строится на приоритетной основе в режиме разделения вре­мени и позволяет обеспечить более полную загрузку системы и повысить эффективность работы ЭВМ.

ЭВМ «Электроника 100-25» (см. рис. 6.2) имеет оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) емкостью 32 К 16-разрядных слов (64* 103 байт данных) и внешнее запоминающее устройство (рис.6.3), в котором записана и хранится библиотека элементов и ф раг­ментов топологии ИМС. Запись и считывание информации во внеш­нем запоминающем устройстве (ЗУ) могут производиться с магнит­ных лент и магнитных дисков.

ЗУ на магнитных лентах представляет собой устройство с после­довательным доступом к информации, поэтому время, необходимое для выборки нужной информации, достаточно велико (несколько минут). Преимуществом ЗУ на магнитных лентах является большое количество хранимой информации (емкость ленты 107 байт) и сравнительно низкая стоимость ленты.

ЗУ на магнитных дисках является устройством с произвольным доступом к информации. Время обращения практически не зависит

187

от места расположения нужной информации и составляет не более 2 с. Дисковые ЗУ имеют емкость 2 ,5 -106 байт данных.

Д л я управления работой всей системы служит пульт управления и контроля (рис. 6.4).

Символьный дисплей (рис. 6.5) выполняет в системе роль терми­нала и используется для ввода и вывода текстовой и цифровой ин­формации, а такж е специальных знаков. Дисплей имеет внутреннюю память и является автономным устройством, работающим независи­мо от ЭВМ, связь с которой осуществляется только на время прие­ма и передачи данных.

Графический дисплей (рис. 6.6) служит для наблюдения тополо­гии или ее фрагментов. В графическом дисплее с размером рабочего поля экрана 162x210 мм используется электроннолучевая трубка с запоминанием, что позволяет удерживать неподвижным на время до 15 мин четкое изображение элементов топологического чертежа с толщиной линий не более 0,8 мм.

Получить изображение на экране графического дисплея можно с помощью устройства управления положением маркера, полуавто­матического кодировщика графической информации (рис. 6.7) либо вызвав соответствующий фрагмент топологии из памяти ЭВМ.

Устройство управления положением маркера (см. рис. 6.6) рас­полагается рядом с дисплеем и представляет собой планшет, имити* рующий рабочее поле экрана дисплея. По поверхности планшета

Рис. 6.6. Графический дисплей с устройст­вами управления положением маркера на

экране ЭМ-729

Рис. 6.7. Полуавтоматиче< ский кодировщик графнче

ской информации ЭМ-719

188

разработчик вручную перемещает головку датчика перемещения (курсор) и одновременно наблюдает изображение на экране графи­ческого дисплея. Д анны е о топологии с графического дисплея пере­даются в ЭВМ.

Ввод графической информации в систему предварительно р азр а ­б о т а н н о г о «вручную» топологического чертежа производится с по­м о щ ь ю кодировщика графической информации (рис. 6.7). Это уст­ройство типа чертежного координатного прибора с размером рабо­чего поля 1 1 0 0 Х 1500 мм, к поверхности которого прикреплен чертеж, выполненный на бумаге или кальке с прецизионной коорди­натной сеткой с шагом не менее 2 мм. Описание топологии произ­водится путем совмещения перекрестия курсора с характерными точками фигур топологии и фиксации оператором координат этих точек. Так, например, прямоугольник со сторонами, параллельными осям координат, описывается двумя диагонально расположенными

Рис. 6.8. Графопостроитель ЭМ-7022

точками его вершин, прямоугольник со сторонами, имеющими на­клон относительно осей координат, — тремя точками и т. д. Погреш­ность фиксации координат точек не более ± 0 ,1 5 мм.

Координаты характерных точек запоминаются в ЭВМ и одновре­менно изображение фигур высвечивается на экране графического дисплея для визуального контроля.

189

Д л я вывода результирующей графической информации разрабо­танной топологии ИМС на чертежную бумагу или безусадочную кальку используется графопостроитель планшетного типа ЭМ-7022 (рис. 6.8) с размерами рабочего поля 1200x1600 мм. По поверхнос­ти планшета в двух взаимно перпендикулярных направлениях пере­мещается каретка с пишущим узлом. Одновременное перемещение каретки в двух взаимно перпендикулярных направлениях позволяет вычерчивать кривые и окружности из отрезков линий под углом 45° с усредненным шагом перемещения не более 0,1 мм и погрешностью установки координат не более ± 0 ,1 5 мм. Управление работой дви­гателей перемещения каретки с пишущим узлом осуществляется ЭВМ в соответствии с описанием топологии в памяти машины.

§ 6.2. Работа с системой «Кулон»

Р азработку топологии ИМ С начинают с расчета ее элементов, после чего выделяют отдельные элементы и фрагменты, которые встречаются неоднократно. К ак правило, в современной БИ С мож­но выделить 15—20 фрагментов, причем один и тот же фрагмент может иметь несколько конструктивных решений. К ажды й фрагмент представляет собой набор фигур (контуров) из отрезков прямых линий, параллельных осям координат или имеющих наклон к ним под углом 45°, и описывается координатами его характерных точек.

Библиотека отдельных элементов и фрагментов, как ранее, т ак и вновь разработанных, хранится в памяти ЭВМ.

Исходная информация вводится в систему либо с предваритель­но разработанного «вручную» топологического чертежа, либо в ви­де изображения топологии или ее фрагментов, которое «рисует» разработчик на экране графического дисплея, обращ аясь к библио­теке фрагментов топологии. Связь разработчика с системой осуще­ствляется через терминал (символьный дисплей) пульта оператора. По результатам предварительного размещения и анализа топологии система выдает данные разработчику на ее корректировку, после чего в соответствии с функциональными возможностями производит доработку и контроль топологического чертежа на соответствие принципиальной электрической схеме и конструктивно-технологиче­ским требованиям и ограничениям. Одновременно описание тополо­гии в виде массива координат точек заносится в память ЭВМ. Программное обеспечение системы позволяет получить данные о топологии на любом этапе в удобном для разработчика виде: на эк­ране графического дисплея, в виде чертежа на бумаге или массива координат.

Н а этапе разработки топологии производится:создание такого взаимного расположения элементов и компонен­

тов, при котором пересечения проводников отсутствуют или их чис­ло минимально;

построение конкретного размещения элементов и компонентов ИМС с учетом корректировки, а такж е схемотехнических и конст­руктивно-технологических ограничений;

190

вычерчивание совмещенного чертежа топологии ИМС, представ­ляющего собой совокупность всех слоев, а такж е послойных топо­логических чертежей;

формирование массива координат угловых точек топологии ИМС для изготовления комплекта фотошаблонов.

Конечный результат разработки топологии выдается с графопо­ст р о и т ел я в виде совмещенного топологического чертежа всех сло-

Рис. 6.9. Топология проводящего слоя тонкопленочной ГИС на фотошаблоне, спроектированная с использованием системы

«Кулон»

ев ИМС, а при необходимости — и послойных чертежей. Описание топологии в виде массива координат точек отдельных слоев, полу­ченное на перфоленте или в другом виде, используется в фотонабор­ной установке для изготовления комплекта фотошаблонов.

Пример топологии проводящего слоя ГИС на фотошаблоне, спроектированной с помощью системы «Кулон», приведен на рис. 6.9.

191

Один из наиболее трудоемких этапов на начальной стадии pas работки ИМС — расчет геометрических размеров резисторов и кон­денсаторов, количество которых в одной схеме может быть велико. Использование ЭВМ типа Е С -1020 позволяет значительно сокра­тить время вычислений, а такж е провести анализ вариантов топо­логии при использовании различных резистивных или диэлектриче­ских материалов. Приведем программы на языке Ф О Р Т Р А Н -IV с примерами распечатки результатов расчетов тонко- и толстопленоч­ных резисторов и конденсаторов. Программы тонкопленочных резис­торов и конденсаторов составлены по расчетным формулам гл. 3, программы толстонленочных резисторов и конденсаторов — по рас­четным формулам гл. 4.

Н а рис. 6.10— 6.13 представлены структурные схемы перечислен­ных программ.

Д л я того, чтобы воспользоваться программой расчета тонкопле­ночных резисторов, приведенной на с. 194, нужно сначала по фор­муле (3.1) определить оптимальное сопротивление квадрата резис­тивной пленки, затем по табл. 3.4 выбрать резистивный материал, параметры которого ввести в исходные данные программы. В про­цессе вычислений по программе определяются топология резисто­ров, их геометрические размеры и суммарная площадь. Пример распечатки результатов в виде таблицы приведен на с. 197, список идентификаторов, использованных в программе, — на с. 198.

П рограмма расчета тонкопленочных конденсаторов на с. 200 позволяет проверить правильность выбранного материала д и э7* трика, определить топологию, геометрические размеры и суь ную площадь диэлектрика всех конденсаторов. Пример распеча^ результатов расчета приведен на с. 201, список идентификаторов, использованных в программе, — на с. 202.

Чтобы воспользоваться программой расчета толстопленочных резисторов, нужно разбить резисторы на группы в соответствии с рекомендациями гл. 4, для каждой группы определить оптимальное удельное сопротивление квадрата резистивной пленки по формуле(4.2), затем выбрать по табл. 4.2 резистивные пасты. П рограмма на с. 204 позволяет определить правильность выбора паст, топологию, геометрические размеры и суммарную площадь всех резисторов. Там же приведен список идентификаторов, использованных в про­грамме.

П рограмма расчета толстопленочных конденсаторов составлена таким образом, что не требует предварительного выбора материала диэлектрических паст, а в процессе вычислений выбирается паста, определяется топология, геометрические размеры и суммарная пло­щадь диэлектрика всех конденсаторов. Н а с. 206 приведен список идентификаторов, использованных в программе.

§ 6.3. Использование ЭВМ для расчета элементов ГИС

192

193

Программа расчета тонкопленочных резисторов

DOS/ES FORTRAN IV V -М 2.2 MAINPCM ВАТЕ

0001 REAL L'L' iNi Mi LCP,LSiLS10002 reallto.lmOiLS0003 DIMENSION R(100),P(1®0| iZ(1001

сС РАСЧЕТ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ РЕЗИСТОРОВ.сС R т О N КСС ВВОД ДАННЫХ.

0004 RE АО ( 1, 7 ) bTEX>RO,PYiAiBiC>D0005 WRITE < 3 i 1?IROiPY0006 *R1tE[3,3!0007 REAO(IiSIKiH00 06 R E A D ( l : 9 M C R ( t ) i P l t ) h I = l , K>0 0 0 ? S U H S = G -

С С ОР Т ИР ОВКА0 0 1 0 DO 1 1 1 1 = 1 , К00 11 111 2(1)=R(I)/Ц00 0 1 2 N 9 = « - l0 0 1 3 N6 = N 90 0 1 4 DO 1 1 5 J = 1 , N 60 0 15 DO 1 14 1 = 1 , N 90 0 1 6 I F ( Z 1 I ) - Z ( I + 1 ) ) 1 1 2 , 1 1 2 , 1 1 3

0 0 1 7 1 1 3 F 1 = Z I I f 1)

0 0 1 6 F 2 - R ( I + 1 )0 0 J 9 F 3 = p £ I + 1 )0 0 2 0 Z ( I + 1) =Z ( I )0021 R I 1 ♦ 1)=RI I )0 0 2 2 P ( I ♦ 1! - p I 1 )0 0 2 3 R I I ) =F 20 0 2 4 Z ! I ) = F 1

0 0 2 5 P ( 1 ) =F 30 0 2 6 1 1 2 C ONT I NUE0 0 2 7 1 1 4 C O N T I N U E

0 0 2 8 ' N 9 = N 9 - 10 0 2 9 1 1 5 C 0 N t I N U e

СС ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРВОГО МЕАНдРА.

0 0 3 0 ОО 7 7 1 = 1 , К0 0 3 1 7 6 I F ( 2 S I J - 1 0 . ) 7 7 , 7 7 , 7 60 0 3 2 ' 7 6 N S H - J0 0 3 3 СО ТО 800 0 3 4 7 7 C O N T I N U E0 0 3 5 8 0 C O N T I N U E

С 'с формирование заголовка Таблицы результатов

0 0 3 6 W R I T E l 3 , 9 9 9 l )0 0 3 7 W R 1 T E 1 3 , S 9 9 9 )0 0 3 8 ■?. KR I ТЕ ( 3 , 9 9 9 9 )0 0 3 9 / HR I ТЕ 1 3 , 9 9 9 2 >0 0 4 0 W R 1 t E ( 3 , 9 9 9 9 )

0 0 4 1 K R I t E ( 3 , 9 9 9 1).< 0 0 4 J W R I T E ( 3 , 9 9 9 9 )

21/05/

£>CS/H$ FORTRAN IV V'.n 2*2 f1* A I N P С M Од T £ 21/05/8103 300440 0 * 5

204 7 гг< в гэ* 90050025 1 BZ52

0 0 5 3«054 « 0 5 5 0 0 5 6 0 0 5 7 £ 0 5 8 0 0 5 9 « 0 6 0 0 0 6 i 0 0 6 2 ВйбЗ ,006< -0065 0 0 6 6 2067 0 0 6 8 006?

* 0 0 7 0 0 0 7 1 0 0 7 2 0 3 7 3 0 0 7 4 2 0 7 5

> 00 7 5 0 0 7 7 0 0 7 В 2 3 7 9 2Э8Я 0 0 5 1 •00 = 2 0 0 & 3 'З 0 £ 4 0S5

0 0 6 6 0 0 S 7 0308 гг&9 0093 22<i \ 0 0 9 7.

V » R I T E ( 3 , 9 9 9 < J )W Р J Т Е < 3 * 9 9 9 3 J f c R l T E < 3 , 9 9 9 9 )Wft I т Б « 3 , 9 9 9 1 )Wfl i Т Е ( 3 , 9 9 9 9 )m z l l > - 1 0 . > 4 00* 4 0 0 , 5 0 0400 HP I ТЕ(3 t10i)WRI T E ( 3 * 9 9 9 4 )W R I t E ( 3 , 9 9 9 9 )

5 0 0 C O N T I N U EСс р а с ч е т т о п о л о г и и .

D C 6 Г = 1 »КI Г С I . N E , NNn ) GO ТО 5 0 1 Wfi I ТЕ I з , 1 0 2 ,W R I T E ( 3 т 9 9 9 4 )N R I t E ( 3 , 9 9 9 9 J

5 0 1 c o n t i n u e

1 P 12 ( I ) . G E . 1 . 0 ) G O T O 5 Ь *L T O= ( A / Z И ) + B I / 0 L « 0 - 5 Q f f T < P ( I > * Z l П / Р Г )L R = A n A X p R ( l T O * L r t O . B T E X )L R = I N T ( L R / H ) * H ^ HB = L R / Z ( I )t _ l = l _ R * 2 . * CS = L R * BS l = L l * BW f l l T E ( 3 , 9 9 9 9 JW P I T E I 3 , 1 0 ) 1 *R I I ) * Z C l ) * P < I J » B » L T D , L H O * B T E X * L R t L l » S » S f W R I t E I 3 , 9 9 9 9 )CO t O 6

5 0 2 C O N T I N U EB T O = ( A * B / Z ( I ) ) / 0

BMO = S Qf l T t P ( 1 ) / P Y / Z ( I ) )B R = A « A X P R ( B T O i B H O . B T E X )В Я = I NT ( B R / H ) * H * H

— 4 I P ( 2 I I ) . С T , 1 0 ) CO 70 5 L = B Д * Z ( I )L i = l + 2 . * CS * L * 8RS 1= L 1*BR V* R I T E ( 3 , 9 9 9 9 )W R ! T E ( 3 , U ) I , R ( U , Z ( I ) , p ( I ) , B T 0 i B n c * 8 T E X i B R » L »l* b S , $ l WR I t E ( 3 , 9 9 9 9 )

s u m s = s u ms + s iGOT O6

5 N s S q R t ( 0 . 0 6 2 5 + 2 ( I ) / 2 . ) - 0 . 2 5 K F N r N + 0 . 5f n = k f n

M « B A * ( Z ( I ) - F N ) / F N E s 2 . * f N * 8 R

S = 2 . * C * B R " —$ 2 = E ♦ S -

1 C P = B R * I ( I )

195

0 1 2 4 9 9 9 3 F oRmat ( ' + ' 6Х . ' КОМ ' . 9 X . ' МВТ ' , 4 Х . ' и м >., 3 X 1 ' М И ' . З Х , 'МИ ' > 2 X** 'МИ ' 13 X , ' Мм' 1 З Х , 'М м ' , з х . 'М М' > 2 X 1 ' ММ' ’ . 3 X . 'ММ ' 1 ЗХ I ' ММ*ММ' i*ЗХ . 'ММ*ММ ' , ЗХ . 'ММ ’ . 4Х , ' ММ ' , 4Х , 'ММ ’ , Л ) fММ ' )

0 125 9 9 9 4 FORMAT( ' + ' , I X , ' I ' , 1 12Х, ' I ' ) .0126 9 9 9 9 f o r ma t < I х , ' I ' 2 Xt ' I ' 6 X , ' 1 ' 4 Xt ' I ' 6 Х , ' I ' 4Х , 'I ' 4х 1 ' I ' З Х , ' I <

*'4Х . ' I ' 4 х 1 ' I ' 4Х 1 ' I ' ЗХ. ' I ' 4 Х , ' I ' 4 Х , ' I ' 7 X 1 ' 1 ' 7 Х t ' Iг» 5 X 1 ' I ' 5 х . ' I ' 5 X i ' I ' 4 X 1 ' I ' З Х , ' I ' 4 X » ' I ' )

0 1 2 7 END

Пример распечатки результатов расч ета тонкопленочных резисторов

I I I NR I I 1

R КФ I Р ( R )I

в т о ч I в ( р ) I

I I I I I I В т X I в I L Т 0 ч I L ( Р) I L Т X I L I

I I I I I IL 1 I S I S1 I

I I Е I Е 1 I В I N '

I IN OK I DB I

I I

I I 1 I 1 I

КОМ МВТI

ММ I ммI

I I I I I I ММ I ММ I ММ I ММ I мм 1 ММ I

1 1 ( 1 1 1ММ I ММ*МП I ММ*ММ I

I I ММ I мм I

I IММ I

I I I ММ I I I

I I I

I

I0 . 1 6 [ 0 . 16

I0 . 1 6 I 0 . 1 6

I I ’ I I I I КФ< = 1 0 - Р ЕЗ ИСТОР Ы т и п а ПОЛОСКА

I I I I 1 I

I 1

I I

I II

I II I I 1 4 I I I I 1 5 I

8 . 00

1 0 . 0 0

8 - 0 1

1 0 - 0 1

4 . 0 0

5 . 0 0

. 1 0 1 0 . 1 6 1 I I 1 1 - 2 8 1 1 I I I I I I

. 1 0 1 0 . 1 6 1 I I 1 1 - 6 0 1 1

. 4 8 1

. 8 0 1

0 - 2 0 4 8 1

0 . 2 5 6 0 1

0 - 2 3 6 8 1

0 . 2 8 8 0 1

1 I I I I I I I

I 1 I I I I I I

I II

1Кф>1 0 - Р ЕЗ ИСТОР Ы ТИПА Ме АНДР

I I I I I I . 1 2 1 0 . 1 9 1 ) 1 1 I

I II

I II I 1281 6ф ■ 0 0 6 0,- 01 4 0 . 0 0

I0 . 1 6 10 . 1 В 4 . 0 0 9 0 1 4 . 3 J 3 9 I 1 . 9 0 1 2 - 1 0 1

I I2 - 2 6 1 5 - 2 5 . 1 0 . 1 7 1

I II I I 29 I 6 5 . 0 0 6 5 . 0 1 0 . 5 0

I0 . 0 2 1 0 . 0 2

I I I I I I • 1 0 1 0 . 1 0 1 I I I I

' I I Г I I I1 . 2 2 0 0 1 1 . 3 1 0 0 1 1 - 0 0 1 1 - 2 0 1

~ I / I1 . 2 9 1 5 . 5 5 . 1 0 * 0 9 1

I I

СУПМА ПЛОЩАДЕЙ Р ЕЗ ИСТОР ОВ. $ = 3 0 . 4 8 (

(О

ВТЕХ — минимальная ширина резистора, обусловленная возможностями технологии Ьтехн, мм (по формату 7.3).

RO — удельное сопротивление квадрата резистивной пленки рЯ| кОм/Q (по формату 7.3).

PY — допустимая удельная мощность рассеяния Ро, мВт/мм2 (по фор- мату 7.3).

А, В — погрешности геометрических размеров ДЬ, ДI, мм (по форма­ту 7.3).

С — перекрытие резистора с контактной площадкой е, мм (по форма­ту 7.3).

D — погрешность коэффициента формы укф (по формату 7.3).К — число резисторов (по формату J3).Н — шаг координатной сетки, мм (по формату 7.3).

R ( J ) — номинальное значение сопротивления R, кОм (по формату 7.3),P (J ) — мощность рассеяния Р, мВт (по формату 7.3).

S — площадь резистора, мм2.S 1 — площадь резистора с учетом перекрытия с контактными площад­

ками, мм2.SUMS — суммарная площадь резисторов I>Sr , мм.

Z (J) — коэффициент формы Кф.В — расчетная ширина резистора bpiсч, мм.

ВТОЧ — ширина резистора из условия точности 6Т0Чн, мм.В (Р ) — ширина резистора из условия выделения заданной мощности,

Ьр, мм.L — расчетная длина резистора I, мм.

L1 — полная длина резистора /полн, мм.N — число звеньев меандра, п.

NOK — округленное значение числа звеньев меандра.М — ширина меандра В, мм.Е — длина меандра L, мм.

LCp — средняя длина меандра /ср, мм.LSI — длина прямолинейной части меандра, мм.

S21 — площадь меандра после коррекции ее размеров с учетом изгибов.DB — коррекция ширины меандра ДВ, мм.Е 1 — полная длина меандра с учетом перекрытия с контактными пло­

щадками, мм.

Список идентификаторов, использованныхв программе расчета тонкопленочных резисторов

198

Рис. 6.11. Структурная схема программы расчета тонкопленочных конденсато­ров

199

каоо

0062

00630 0 6 40 0 6 50 0 6 60 0 6 70 0 6 80 0 6 90 0 7 00 0 7 1

16 FORMAT! ' TAN ДЕЛЬ™ 5! ' ГДММА С Р А Б = ' . Е 1 2 . 5 - > L B - ^ , E l 2 .2 / ' L H = ' E 1 2 . 5 . ' в н ~ ' ^3 > S = ' , E i 2 . 5 / >

SUHS^SUMS + S 1 (1 )SO TO 4

ЕРП = 5 i ’

LD- ' i

S E 1 2 . 5 )В6 = ' ' , е 1 2 . 5 .

E 12 • 5 i ' B D = ' , E 1 2 * 5 j

W Ж ' 1 7 ’ На т е р и д л ДИЭЛЕКТРИКА в ы б р а н НЕВЕРНО .

СУММА ПЛ01ДААЕЙ КОНДЕНСАТОРОВ SUMS = ' , Е 1 2 . 5 )

М= 1 4 CONTI NUE

WR I Т Е ( 3 > 1 8 ) SUMS В FORMAT I '

END

Пг^мер распечатки результатов расчета тонкопленочных конденсаторов

/ / Е X ЕС

СУММА ПЛОЩАДЕЙ КОНДЕНСАТОРОВ S U MS -

toо

К — количество конденсаторов.С (J) — емкость конденсаторов С, пФ.

U P (J) — рабочее напряжение £/раб, В.Е — рабочая частота fpaб, Гц.

DL — погрешность линейных размеров ДL, АВ, мм.EPR — пробивная напряженность £ Пр, В/мм.E P S — диэлектрическая проницаемость 8.

G — относительная погрешность удельной емкости у с 0- GC — относительная погрешность изготовления конденсаторов ус-

GCT — температурная погрешность изготовления конденсаторов.RO — сопротивление квадрата материала обкладок ps, О м /П .TD — тангенс угла диэлектрических потерь tg 6 .К З — коэффициент запаса электрической прочности К3-

Н — шаг координатной сетки, мм.ТКС — ТКС (Х Ю 4) в диапазоне температур, 1/°С.

М — признак проведения корректировки.DY — толщина диэлектрика d, мм.

SUMC — суммарная площадь конденсаторов 2 S c , мм.GSD — допустимая погрешность площади у в доп.COV — удельная емкость исходя из электрической прочности С0г .TGR — рабочий тангенс угла диэлектрических потерь tg 6 pae.ERP — рабочая напряженность электрического поля £раб, В/мм,

GCR — относительная погрешность Ycpa6 • ' 'DT — температурный диапазон АТ, °С.

СОТ — удельная емкость исходя из точности изготовления конденсатор Соточн, пФ/ММ2.

LB, ВВ — длина и ширина верхней обкладки конденсатора, мм.LH, ВН — длина и ширина нижней обкладки конденсатора, мм.LD, BD — длина и ширина диэлектрика конденсатора, мм.

Список идентификаторов, использованныхв программе расчета тонкопленочных конденсаторов

(7 Конец ^

Рис. 6.12. Структурная схема программы расчета'толстопленочных ре-зисторов

Программа расчета толстопленочных резисторов

/ / ВХЕС FF0RTRAN СС РАСЧЕТ ТОЛСТОГМЕНОЧНЫХ РЕЗИСТОРОВС

REAL KF .R ( 1 0 0 ) , Р ( 1 0 0 ) , s ( 1 0 0 )READ ( 1, 9 0 ) M

9 0 p o R M A T { I 3 ) JS2 =0 •DO & J = 1 (И READ ( 1 , 1) КR E A D ( 1 , 2 ) ( (R ( I ) , P I I ) ) , 1 = 1 , K)R E A D ( 1 , 3 ) P 0 , R O , H , D H

i f o r m a t ( i з )1 FORMAT( 1 0 F 8 . 3 )i F O R MA T ( 4 F 8 . 3 )WRI Te ( 3 » 9 8 ) R O > P 0

9 8 F O R M A T ' / / ' ЛДСТА : R O = ' , Г 8 - 3 » ' p 0 = ' f F 8 . 3 / / >8 DO 77 1 = 1. К

K F = R 1 1 ) / ROI F < K F . L E . 6 . . O R . kF . G e - 0 . 1 6 7 ) CO TO 107 pRl NT 5

5 FORMAT!1 ' ИЗГОТОВИТЬ РЕЗИСТОРЫ Из ОДНОЙ ПАСТЫ НЕ ЛЬ З Я' » Ч

GO ТО 6 §107 BP = SQRT 1 2 . * Р ( I ) / K F / P 0 ) ___________ ’ '

B p T = l F i X ( В Р / Н ) * Н * Н B R - 0 • 8I F < B P T . G T . 0 . 8 > BR=BPT AL- BR*KFA L 1 - A L + 2 . * 0 HS f I )= AL1 * ВRWRl ТЕ ( 3 > . 4 ) R ( I ) , P f I ) , B P T , B R , AL . A L l . S ( I )

4 FoRMAT( ' R= ' , F 8 . 2 i ' P- ' ! F 6 . 2 i ' BR=' >F 8 - 2 . ' В = ' , F 8 • 2 > ' Ls ' , F 8 • 2 1 ' L i = ' , F В . 2 > ' S = ' , F 8 . 2

i 7 7 CONTINUE ) S 1 = 0 *■' DO I = l - K i 7 S 1 = S l + S ( I )

KRI Т Е ( 3 . 9 ) S 19 F 0 R M A T ( / / 5 X , 'СУММА S = ' . F i 0 . 3 )

S 2 = S 2 + S l6 CONTI NUE

WR I ТЕ I 3 . 9 7 ) 5 297 F0RMa T ( / / ' СУММАРНАЯ ПЛОЩАДЬ РЕЗИСТОРОВ S 2 = ' , F l 4 . 3 )

END

Список идентификаторов, использованных в программе расчета толстопленочных резисторов

R (I) — номинал резистора R{, кОм.Р(1) — мощность, выделяемая на резисторе, Р<, мВт.

К — число резисторов в группе.KF — коэффициент формы Кф.М — число групп резисторов (резистивных паст).

RO — сопротивление квадрата резистивной пленки рв, кОм/П* РО — удельная мощность Р0, мВт/мм2.ВР — ширина резистора с учетом мощности Ь р , мм.BR — расчетная ширина резистора 6расч, мм.

ВРТ — округленная ширина резистора, мм.В — выбранная ширина резистора Ь, мм.

AL, L — длина резистора /, мм.AL1, L1 — длина резистора с учетом перекрытия /полн, мм.

S — площадь резистора, мм2.Н — шаг координатной сетки с учетом масштаба чертежа, мм.

204

DH — величина перекрытия резистора и контактной площадки АН, мм„51 — общая площадь резисторов, изготовляемых из одной пасты, мм*.52 — общая площадь резисторов, мм2.

и1 Ввод исходных данных

тВвод исходных данных диэлектрических паст и контрольного значения С

^ 9 Конец ^

Рис. 6.13. Структурная схема про­граммы расчета толстопленочных

конденсаторов

205

Программа расчета толстопленочных конденсаторов

/ / tXEC ffortran ->f р а с ч е т т о л с т о л л е н о ч н ы Х к о н д е н с а т о р о в

О I MENS I On С ( 1 5 )R E A D l 1 , 2 )к

\ 00 < ! = 1) X4 REA D ( 1 , 1 ) С( I )2 FORMAT(12)1 FORMA Т ( F 5 . 0 )

! С 1 = 3 7 .С 2=1 0 0 .сс-2гг .S = 0.00 5 I = 1 , К сх = с 11 F (С( I ) .GT.C0)CXZC2 В = SORT | С I 1 ) / с Х )

; BBs0,l*AINT(10.*B)вх=в-ввIF(6X.G T.0.05)B0=Be+0»l гSA=BB*«2.ВН-В Э+0.6S H =B H * * 2 .B D - 8 B + 1 , 050 = 9 0 * * 2 . ~Т

WR1Т Е ( 3 , 3 ) с ( 1 ] , С Х , В В ( S B , B H . 3 H i B D , SD3 FORMAK 2 X. /2 K C = . F S . 0 . 5 x , '3 H C 0 = ' . F 4 . 0 , S X , ' 3 HL B = ' F 5 . 2 . 4 Y ' 1 H < n - ' F 7 4* S X , 3 H U H - , F 5 , a , 5 x . ' 3 H S H = ' , F 7 . 2 . 5 x / 3 H L 0 = ' , F 5 )2 . 5 x , ' 3 H S D - 4 7 2l"i 5 5 = S ♦ S о “ ' '

WftJТЕ( 3 |6 ) S6 F O RМАТ с 12Х , 'СУММА SD ' , FS . 2.)

s t o p v -*END

Список идеитификаторов, использованных в программе расчета голстопленочных конденсаторов

С(1) — емкость конденсатора С<, пФ.К — число конденсаторов.

С 1 = 3 7 пФ/мм2 — удельная емкость пасты П К 1000-30.€ 2 = 1 0 0 пФ/мм2 — удельная емкость пасты ПК-12.

CD = 200 пФ — контрольное значение емкости.СХ, СО — удельная емкость пасты, пФ/мм2.

ВВ, LB, SB — ширина, мм; длина, мм; площадь верхней обкладки, мм ВН, LH, SH — то же, для нижней обкладки.BD, LD, SD — то же, для диэлектрика.СУММА SD — суммарная площадь конденсаторов, мм2.

П Р И Л О Ж Е Н И Я

П РИ Л О Ж ЕН И Е I

Примеры выполнения конструкторских документов

Процесс проектирования ИМС заканчивается оформлением конструкторско- технологической документации. Она включает в себя основной комплект доку­ментов, комплекты документов на составные части ИМС, инструкции по экс­плуатации ИМС, ведомости-спецификации, ведомости покупных изделий, форму­ляр и паспорт ИМС и др. В основной комплект документов входят принципиаль­ная электрическая схема, функциональная схема, сборочный чертеж, чертеж об­щего вида топологии, послойные топологические чертежи, чертеж структуры ? ’• '.ентов ИМС.

Пример 1. Комплек. конструкторских документов на полупроводниковую И т С , выполненную пс планарно-эпитаксиальной технологии (см. рис. на с. 207—212).

>1 цепь \ контакт'

Вход

цепь контактВход 2

цепь контакт— 10

Цепь контакт— 5

контакт цепь11 'Цитате

конт акт цепь8 Вы ход

контакт Цепь7 Общий

Q0M3.088....33М икросхем а

Схема элекгри честя принципиальная

масшт.

Л

207

ьаоао

Элементы структуры Толщина,м к м

Типзпектро-проВод-ности

Используемыйматериал

9,0м/анаименадание

II Наименова­ние, марка

ГОСТ, ост, ТУ

Ш обая область ", Ц *0,3 Р ЬортрехЬро-мистыйот-ч ...ТУ 200±20

Змиттёрнаяобласть нг. 1,6 ±0,3 п * Фосфор трех­

бромистый... ...Т У 3\5±1,5

Скрыт ыйслой Кз 3,5±1,5 п+ Трехокись

сурьмыхч МРТУ... 25 ±5Разделительная

област ь я* 1В ±2 р* Бор трехбро­мистый... ...т у 6±Ь

Зпитаксиаль - ны й спай *5 5,5±2 п

Кремниевые зпитаксиаль- ные структуры ...т у -

Прадоднихи и кон­тактные площадки ’,2 ±0,1 - Апюниний -

не Ш ее 0,005

Пленкадиэлектрика. н7 0,6+0,05 -

11 - -

Пассидация Не 0,8±0,Т - то me - -

350360

/. Все размеры на чертеже даны в мкм. ,■2. Характеристики и данные по изготовлению отдельных

слоев приведены В табл. Л3. Нумерация контактных площадок и обозначение

элементов показаны условно.4. к - фигура совмещения.

00M73W.

J. контр.

Кристалл

Кремний ... ГОСТ...

т :/1 1 Л ист ов &

N3 .4 *с*Uj

& ^Na $ siС-V^ с-

Ь| С*

С;

I

п=

□ □а__□

□In

□

□ о

B00i

LL1

ч ' о Со N О) Кэ -№

тачки

Na Nj О, $ •4 •Ь><=а

саfs

I I *§■ $ '§ §'-Са C-Nl §

Nj Ni <=а§

С-4КЗО»

§ «5» <=а § § i 1 1«5»

N ! § 1 §

* 1-Nj sN> .м S3 -N>

*Ni са1

Ой§

С; <

Сч to ■f' Nj - №точки

<<а § JoСо-*>Ci

s<=a

^4?3

Qo ss§

«5» c*H II

£<5В? N Съ §§ C-h^5 ca

§ca

Vr, "0 , 1 1N

§C»s 4> >ts

1 1«5» ca и

¥N -tN

$ЧчN .Nj

СчNj As

•0Од 1 1 .Njoi.nJ< 1

ca1 1

ca<

Прим

е­чание

вид на

разделительны

й сл

ои

Вид на змиттерный слой

30 о *

□□

21 23

□

□ пS /7 25

« оз з ^

55

оЗ□59

Таблица координат т очек

- 11

коорди­наты, мм

Коорди­наты, мкм Приме­

чаниеX У X У; О О 0 О2 0 320 О 5003 350 320 300 5004 350 О 500 О5 WU- 145 250 3706 104 165 250 т7 103 158 272,5 ’i208 103 145 272,5 570

65 i330 iSO 1525 \l50 Г

/. * Размеры для справок.2. Конструктивное исполнение по

чертежу ООМ7. лист 1.Изм\/7и:тразрад.Прзв.

№ докум подп. Дата

00М7.3Ь¥...

Кристалллит. масса масшгп.

/1 и ст ь \/1 и с т а в S

Вид на контактные окна

9 ° 2 ° 33° О D D□ 57 °5S3

№о Я 7 7 ° 0 ° U □

5 77

87

^L.а

33

I *Розмгры для справок.2. Конструктивное исполнение по

чертежу ООМ7.344... лист I.

IQ 7

С12.

115

п

□□103

т ш127

Таблица координат точек

%Л1Коорди­

наты, ммКоорди­

наты, мкм ItX У X У/ О О О Ог 0 320 О 5003 360 320 900 8004 350 О 300 О5 53 108 132,5 2706 53 т 132,5 2857 53 iik 147,5 2858 53 108 147,5 270

\!3 4 \3 3 0 \4 0 \S23 \Ю0 J "

ЧЗМ. \/*црРазраб.~Щ$7тТхснтр

IpfatyM, "ШЖ00М7.Ш...

Кристалллит. масса масшт.

Ш-1лист 5 i л истод Б

Вид на слой металлизации

1. * Размеры для справок.2. Конструктивное исполнение по

чертежу 00М 7.Ш ... лист 1.

ИЗМ ТШс?Разрод.

м.контр.Угпд-

N*доху м.

7а5лица координат точекg

е

Каорди - ноты, мм

коврди-наяы.мхм Приме­

чаниеX У X У/ 0 0 0 02 0 320 В 800J 150 320 500 800и 360 0 500 05 50 Ь5 100 112,5В 50 85 100 212,57 108 85 270 212,58 108 118 270 2359 117 118 ■292,5 29510 117 75 292,5 187,511 30 Ь5 225 112,5

I m j m j 20 \82s\so |

Дот

00М 7.3И...

Кристалллит. масса масшт.

Лист в { листов В

211

’§■§■

^ § '

1 1 | S-^ S4 <: сCsj v^.5 ^1 С5 ^ С;

^1 <5

N

.5? ^ са В. >5 05, -Q 5; ^ 1«<а Ь- Ci r s

§*Ш!"|i-

: 5 S § . Ci 3; s? S

&J§ is I 'g'S ^ l l l f

^5 : sj § S §§ § f § t ^ сь ^ >:5з <Ci; c- ^ ^ ^c.'<t' to to

> >

p

ta §S§-CO 5*S5’5IIS 'b £.t

Z'f '

Ш

, Пример 2. Комплект конструкторских документов на толстопленочную ГИС,1 состоящий из: спецификации микросхемы, сборочного чертежа, принципиально!' электрической схемы, спецификации на элемент, сборочного чертежа элемента,

топологического чертежа платы, чертежей деталей (вывода и платы) (см. рис. на с. 214—220). На сборочном чертеже микросхемы в качестве разъяснения тонкими линиями показана часть вывода, отделяемая в процессе сборки микро­схемы. Топологический чертеж выполнен на девяти листах, три из которых при­водятся, в том числе приводится чертеж топологии обратной стороны платы. Таблицы координат элементов должны быть выполнены в виде отдельных доку­ментов. ••

17 П/5 П/4 D /J □ /? п и Q10

15 П6 LV 0<у из

Пример 3. Схема электрическая принципиальная и топологический чертеж платы тонкопленочной гибридной микросхемы (см. рнс. на с. 221—224). Схема электрическая принципиальная выполнена как групповой документ. Каждый вариант исполнения может быть получен путем изменения номиналов кон­денсаторов, резисторов и транзисторов, а такж е исключением связей между от* дельными элементами. Топологический чертеж платы такж е выполнен групповым документом. Варианты исполнения получаются при разрезке проводников, соеди­няющих отдельные элементы на плате.

2IS

Позици­онноеобозна­чение Наименование 1

Приме­чание

R, Резистор 22 к Ом ±30 % 30 мВт 7Кг ” 22к0м±30 % 10 мВт 1Rj ” 10к0м±- 30% 5 мВт 1Ru 150 Ом ±25% 10 мВт 1

” 22к0м± 30% 10мВт 1Re ” 10к Ом ±30 % 5 мВт 1R? » 2,2к0м±30% 90мВт 1

R^R_s_с,

” 1,5к0м±30°/о 5 мВтКонденсатор 130 пФ ± 30% Up= 12В 1

r-г ” 82пФ±30% ир- 12В 1Сз- 130пФ±30% Up=12В 1Н В2пФ±30% Un=128 1

Т,...Т^ Транзистор КТ359 А Б ... ТУ 1

ИЗМ ЯистРазраб.

№докцм.

Проб.I контр.

н. контрУтв.

Подп.

А БЗ. 110. 016. 3 3

Микросхема К221ТС1 Схема электрическая

принципиальная

Лит. масса масшт

/7ис/п 1 \листое t

1 места

Таблица 1 Таблица 2

ьслобнае обозначе­ние с пая

наимено- ' бание слоя

Материал споя Электри­ческие

характе­ристики

Номерлистачер­

те/наНаименоВо ние,марка

ГОСТ, ОСТ, ТУ

Прододнихцт тактные пло- щаЗкииншкнВе обкладки кон­денсатора.

ПастаПП-3

ОСТ 11.073. 023 -74 3,1V M

\------ j1____ i Диэлектрик Паста

ПКЮ00-300СП1. 073.

023-7С0- 3700

пФ/см! 5

Верхние об­кладки кон­денсаторов

Пастапп-г

ОСТ 11. 073. 023-71 5 Ом/а Бш

□Fe3ucmu8j ный слой

пастаПР-100 ОСТ 11.073.

023-71

н=том/а 7пастаПР-ЗК Я0-3 Ом/а 8пастоПР-20К R~20k0m/ q 9

Позици­онноеобозна­чение

Точкиизме­рения

Расчетный номинал и допуск

■ R, 3 -1 \?,2кОм-25%Я7 11-17 ?3к0м±25%Rj 5-8 Юк0м±25%R* 2-8 150x0/ 25%Rs 7-B 10K0Mt25%

Re 1-18 7}к0м±25%r7 1-3 2,2к0м*25%Ru В-8 15KOMt25%

я9 8-9 15к0м*?5%С, 1-7 W n0 s2 5%

Cl 5-6 82пФ±25%Сз 1-5 Ц30пФ125%ck 6-7 82пФ±25%

1. Плата должна соответствовать Г0СТ2789- 73.2. * Размеры для справок.3. Координаты вершин элементов слоев приведены

в АБ7.100.331 ТВ. Допустимые предельные отклонения размеров элементов ±0,1мм, кроме мест, оговоренных особо.

1. Цифрами V +18'на пистеЗ обозначеныродиусы кон­тактных ппощодок. Радиусы контактных площадок 0,5мм.

5. Электрические характеристики и данные по изготовле­нию отдельных слоев приведены в табл. 1.

В. Величины сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов должны соответствовать данным, указанным в табл. 2.

7. Отношение номиналов резисторов Я2 /Rs =Re/R3=тзр; R, /R7 = 0,9+ 1,1.

д. Нумерация контактных площадок и обозначения элементов показаны условно и соответствуют схе­ме электрической принципиальной AB3A10.0J6.33.

нзм.у\иегРазлаЬ.

№дохцм.П вов.'1. контр.

И. КОНТр.уте.

Поди.

А67. 100.331

Плата

заготовка АБ7.817.061

пит MQCCQ\ 0,6 Г

Г'

Вид на слой с проводниками и контактными площадками.

Обозначение . элемента

НомерВершины

Координата, ммX У

А1 /,5 192 Г,2 2,5J !,9 2,5

Б

1 ■ 0,6 о,ь2 0,6 5,6J 2,2 5,6

217

Ей®

25 ±0

,11. * Размеры для справок.2. Расположение концов пластины 2

8 пределах контактных площадок не регламентируется.

J. Допускается смещение дыВфд тран­зисторов относительно их контактных площадок на l/ з диаметров выводов.

4. Паять ПОС-S! Г0СТ1Ч99-70.5. Пайка транзисторов 3 должна Выдер­

живать нагрузку 100 г В плоскости плоты.

6. Обозначение контактных площадок и элементов показано условно.

7. На главном Виде пластина 2 условно заштрихована.

8. Вариант установки транзисторов Ео сто. ою. ом.

0.J8

2 отв. ф2*°’12

17,6 ±0,113,2 ±0,1

8М0,1\Ь±0,1

>Л- 0,09wvwwi

Ш /v Ы )

I *Размеры для справок.2.** Размеры и шероховатость поверхностей

после покрытия.3. Размер Б после покрытия 0,35max.4. Неуказанные предельные отклонения размеров:

охватывающих -по Н1Ч охватываемых -ло h 14 прочих -Щ р1- .

5. Покрытие 0,6-9, Н2-3. Допускается покрытие Гор. ПОС-61.

АБ7. 725. 023/Iит [Касса

Пластина

Латунь nS3 лента 0J Т-Н ГССТ2208-70

0.2?г 5:1

лиспи j/lucmodl

'Л,

7. О прессовать микросхему пре'ссматериалом поз. 2 согласно ОСТ.......

0,J±0J

2. Обрубку лластины элемента произбести после опрессовка микросхемы.

3 .* Раз меры и шерахобатость поверхностей для справок.V 4. Смещение осей Выбодов от номинального расположения

не более 0,1 м м (допуск зависимый).5. На плоскостях Б и в после обрубки пластины элемента

допускаются Выступающие концы от перемычекне более 0,2 мм.

6. Неуказанные предельные отклонения размеров: охваты­вающих по Н12,охватываемых not) 11,прочих- •

7. Радиусы скругпений опрессованных поверхностей микро­схемы -а ,5 мм max. я 20

8. Шероховатость опрессованных поверхностей микросхемы \ J . 1 3. Маркировать товарный знак предприятия методом

прессования. Допускается нанесение товарного знака • предприятия эмалью эп-572 ТУ6-10-153 9 - 7ST2.

V 10. Маркировать номер сопроводительного листа, порядковый номер микросхемы. Шрифт 2 по HO.010.007.

11. Нтести кпеймо отк ипи представитепя заказчика.\J 12. Маркировать усповное обозначение микросхемы. Шрифт 2

по НО. 010. 007.V 13. маркировать год и месяц изготовления микросхемы,

шрифт 1 по но. ою. 007.14. Маркирование и клеймение по л. 10, П, 12 и 13 произвести

эмалью ЭП-572 ТУБ-10-1539-76Т2.

изм.Ушс,Разраб.Т. кон/лр.

V. контр. Утб.

дом/м. Шп.

А Б З .Ш 076. СВ

Микросхема И221+/ТС1

Сборочный чертеж

лит. массаЗг

3 910 93 96

61

Позицион­ное обозна­

чениеR,яг

яs

Яд

Я„Я,2Я,зЯм-

С,...С?TuhТз

Наименование

резистор 3,8 кОм ± 15%1Ь,2кОм±15%200к0м±/0%4,2 кОм± 15%1кОм± 15 %( см. табл.)12 кОм ±20%5ком ±20%1 к0м± 15%10 кОм ±20%5 кОм± 20%750 Ом ±10%12 К0м±20%12,2 кОм ±20%

Конденсатор (см. табл.)Транзистор 2Т331БХМ0.33В. ТУ

л (см. табл.)» 2ТЗПВЖКЗЖЖТУ

(см. табл.)

Примечание

О бозначение С, сг С3 04 С5 СВ с7 nS TjJsИсключ.

элементы и связи

АБ2. 206. 004 600±20% 570±20% 1080±20% 300±20% 570±20% 1200±20% 530±20% 2,7к0м±20%21319ГЖК3.365.МТУ —

-01 720 ±20% 690±20% 1250±20% 360±20% 690±20% 1500±20% 650±20% 3,2к0м±20% 2I319A »

-02 900± 20% 850±20% 1600±20% 450±20% 850±20% 1800±20%800±20% 5к0м±20% 2Т319Б » Я, 3 , 0 )

-03 1140 ±20% 1080±20% ?000±20% 570±-20% 1080±20%2250±20% 900±20% 12к0м±20%> 2Т319В » Я,3,(7)

<?Ы)Условное

обозначены слоя .

Наименова ние слоя

т <М ат ериал с л п я

т и п а 1

наименова ние, марка

ГОСТ, ОСТ ТУ

ичвред­ность на несения

злектричес паяхарак­теристика

методнанесения

листачертежа

Резистор СплавРС-3001 т опот у - р-ютам/а йакуумное

напыпение 2

ш Проводники и штатные олощадаа

нилромX20H30 m s/o jss г

PfOJOM/o Jo /ке 3Золото 3/1 9SS.S Г0СЖ5-16 2

Ни/княя аб- а/юдк'о кон­денсатора

Титан 8П-8 )мт75Н7 1PfO,70MJ0 *Алюминий А я я ГОСТ618-62 2

j— ------ji--------- 1

Диэлект­рик См.табл.З См.тавлЗ ~ См.шобпЗ 91 5

к\\\Ч Верхняя об- ш дао кон­денсатора

АпюминийА9Э focma-e2 ~ Ро*°?0мМ 6

Г ------тL ------ J

Защитныйслой

Фоторезист чегативныц ФН ЮЗ ОСТ... - - Фотолито­

графия 7

• и j r / L j ja i и пн UUfJUOUK

Ь2. Злементы б слоях выполнять по координатам, приведенным в таблицах на тгвегавующих листах. Координаты даны В масштабе чертета.

3. Площадь напыления золота 4-S мм2, толщина напыления о,ыо,5 мкм.■< 4. Внешний Вид плоты должен соответствовать требованиям инструкции

АБО. 005.021.?5. характеристики отдельных слоев приведены О та5л. ! и 2 1 В.значения Ялрктпииат/н* ---------»— ' -

„.„игчп.пириы'шли отоельных слоев приведены в табл. / и2 .В.Значения электрических сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов

должны соответствовать данным, указанным в то5л. 3.Z Знаками т @ т т © условно показаны места резки проводников

(связей), указанных в табл. 3.8. номера контактных площадок и обозначения элементов показаны

условна и соответствуют схеме электрической принципиальной "Гобли . а 3 АБЗ-и30■т 33 ■

А

totoОЭ

Вид

на сл

ой

с ве

рхни

ми

обкл

адка

ми

конд

енса

тор

ов

| Коо

рдин

ата,

мм 1

>*< Ч"

Qo ^ W *nT ''rsVjVT

н Г\, сч, ;> ;<*• ^ *ч & 1е0 JO if>s." SbSb

Ном

ерве

ршин

ыО

бозн

ачен

иеэл

емен

та

О»tJa 1

224

ПРИЛОЖЕНИЕ II

Состав и литерность технологических документов

Технологическая документация на ИМС разрабатывается в соответствии а требованиями системы технологической документации (СТД).

На процессы изготовления микросхем, их сборки и герметизации состав- ляется основная технологическая документация, обязательная для ведения тех­нологического процесса, которая состоит из: спецификации технологической (СП Т); маршрутной карты технологического процесса (М К); операционной кар­ты технологического процесса (ТК) по видам работ; карты эскизов, схем и таб­лиц (КЭ); карты раскроя материала (К Р ); технологической инструкции (ТИ ); контрольной карты (КК) или маршрутно-контрольной карты (М КК).

Создание технологических документов производится на стадии разработки эскизного проекта, технического проекта или рабочей документации (документа­ции опытного образца или опытной партии, установочной серии, установившегося серийного или массового производства). При этом технологическим документом эскизного и технического проектов присваиваются литеры соответственно «Э», «Т», опытных образцов (опытных партий) — литеры «Oi», «О2», «Оз», «О*» и т. д., после проведения установочной серии — литера «А», установившегося серийного или массового производства — литера «Б».

По мере необходимости на процесс изготовления, сборки и герметизации ИМС разрабатывается вспомогательная технологическая документация, к кото­рой относятся: перечень технологической документации (П Т Д ); ведомость обо­рудования (В О ); ведомость инструмента, оснастки и тары (В И ).

Перечень разрабатываемых основной и вспомогательной технологической

Стадии разработки и литерность технологических документов

Стадии QI разработки

Вид технологической документации

Литерность технологиче­ских документов

Применение формы технологических документов

Проекти­рование

Опытноепроизводст­во

Устано­вившееся серийное или массо­вое произ­водство

Эскизный про­ект

Технический про­ект

Рабочая доку­ментация опытного образца (опытной партии)

Документация установочной се­рии

«Э»

«Т»

«Ог»,«О4» и т. д. при по­следующих изготов­лениях и испытаниях опытного образца и соответствующей кор­ректировке техноло­гической документа­ции для условий се­рийного производст­ва

«А»

ТИ

ТИ и другие формы СТД по усмотрению разработчика

Формы и положения СТД по усмотрению раз­работчика в объеме, не­обходимом для органи­зации серийного произ­водства

Документы и СТД, оформленные в виде ос­новного или полного комплекта. Допускается сокращенное заполне­ние форм СТД

225

Продолжение табл. прилож. II

Стадии Вид технологической разработки документации

Литерность технологиче- Применение формыских документов технологических документов

Документация «Б» установившегося серийного или мас­сового производ­ства

Документы по СТД, оформленные в виде ос­новного или полного комплекта

документации и литерность документов определяются конкретным видом техно­логического процесса и стадией разработки.

Формы, комплектность и правила заполнения форм технологических доку­ментов, разрабатываемых на продукцию основного производства предприятиями, проектирующими и изготовляющими изделия электронной техники, приведены в ОСТ 11 Г0.040.006—73.

1. ОСТ 11.073.002—75. Микросхемы интегральные гибридные. Подложки и платы.

2. ОСТ 11.073.042—75. Микросхемы интегральные. Габаритные чертежи.3. ГОСТ 17.467—79. Микросхемы интегральные. Основные размеры.

Ч' 4. ГОСТ 18472—78. Приборы полупроводниковые. Корпуса. Габаритные и присоединительные размеры.

5. ОСТ 11.073.011—75. Микросхемы интегральные. Корпуса. Общие техни­ческие условия.

6. ОСТ 11.0.000.028—73. Микросхемы интегральные. Правила выполнения конструкторской документации.

7. ОСТ 11.073.063—76. Микросхемы интегральные. Выбор и определение до­пустимых значений параметров, воздействующих технологических факторов при производстве РЭА на ИМС.

8. ГОСТ 17021—75. Микросхемы интегральные. Термины и определения.9. ОСТ 11.073.915—80. Микросхемы интегральные. Классификация и система

условных обозначений.10. ОСТ 11.073.909—78. Микросхемы интегральные. Ленты-носители. Конст­

рукция и размеры.11. ОСТ 11.730.900—77. Микросхемы интегральные. Рамки выводные. Конст­

рукция: размеры и технические требования.12. Стандарт СЭВ. СТ СЭВ 299—76. Микросхемы интегральные для уст­

ройств широкого применения. Общие технические требования. Методы испытаний и правила приемки.

13. Стандарт СЭВ. СТ СЭВ 1624—79. Микросхемы интегральные. Р яд пи­тающих напряжений.

14. ГОСТ 21392—79. Изделия электронной техники для устройства широко­го применения: механические и климатические воздействия. Классификация по условиям применения.

15. ОСТ 4.ГО.010.009. Аппаратура радиоэлектронная. Блоки и ячейки на микросборках и микросхемах. Конструирование.

16.0СТ 4.Г0.010.043. Узлы и блоки радиоэлектронной аппаратуры на микро­схемах. Микросборки. Установка бескорпусных элементов и микросхем. Конст­руирование.

П РИ Л О Ж ЕН И Е III

Перечень основных стандартов на ИМС

226

17. ОСТ 4.ГО.0Ю.202. Микросборки СВЧ-диапазона. Конструирование.18. ОСТ 4.Г0.010.203. Микросборки СВЧ-диапазона. Корпуса. Элементы ти­

повых конструкций. Конструирование.V 19. ОСТ 4.Г0.014.000. Покрытия металлические и неметаллические органи­

ческие. Выбор. Область применения и свойства.20. ОСТ 4.Г0.014.002. Покрытия лакокрасочные. Классификация. Выбор.

Свойства. Область применения.21. ОСТ 4 ГО.029.003. М атериалы полимерные для герметизации изделий

радиоэлектронной аппаратуры.22. ОСТ 4.Г0.029.204. Клеи. Выбор, свойства и область применения.23. ОСТ 4.Г0.029.207. М атериалы неорганические (стекло, керамика, ситал-

лы). Руководство по выбору.24. ОСТ 4.Г0.054.014. Узлы и блоки РЭА на ИМС. Типовые технологические

процессы сборки.25. ОСТ 4.Г0.054.204. Микросборки тонкопленочные. Типовые технологиче­

ские процессы.26. ОСТ 4.ГО.054.208. Микросборки СВЧ-диапазона. Сборка и герметизация.

Типовые технологические процессы.27. ОСТ 4.Г0.054.210. Склеивание металлических и неметаллических материа­

лов. Типовые технологические процессы.28. ОСТ 4.Г0.054.213. Герметизация изделий радиоэлектронной аппаратуры

полимерными материалами. Типовые технологические процессы.29. ОСТ 4.Г0.054.230. Пластмассы. Изготовление изделий методами прессо­

вания и пресс-литья. Типовые технологические процессы.30. ОСТ 4.Г0.054.240. Микросборки. Платы толстопленочные. Типовые тех­

нологические процессы.31. ОСТ 4.ГО.054.241. Микросборки. Герметизация сваркой. Типовые техно­

логические процессы.32. ОСТ 4.ГО.070.026. Изделия электронной техники и микросборки для ра­

диоэлектронной аппаратуры, разрабатываемой на базе комплексной миниатюри­зации. Общие технические требования.

33. ОСТ 4 .Г 0 .071.200. Автоматизированная система технологического проек­тирования. Основные положения.

34. ОСТ 4.Г0.073.203. Микросборки корпусные. Конструирование. Обеспече­ние тепловых режимов.

35. ОСТ 4.Г0.091.273. Система автоматизированного проектирования. Инфор­мационная база. Микросборки. Язык и формы описания исходной информации для проектирования.

36. ОСТ 4.Г0.054.241. Микросборки. Герметизация сваркой. Типовой техно­логический процесс.

37. ОСТ 4.Г0.054.059. Герметизация малогабаритных изделий в металло- стеклянных корпусах электродуговой сваркой в защитных газах. Типовой техно­логический процесс.

38. ОСТ 4.Г0.054.213. Герметизация изделий РЭА полимерными материала­ми. Типовой технологический процесс.

39. ОСТ 11.054.271—80. Изделия электронной техники. Герметизация лазер­ной сваркой. Типовой технологический процесс.

40. ОСТ 4.ГО.054.036—78. Композиции токопроводящие и поглощающие по­лимерные. Покрытие и склеивание. Типовой технологический процесс.

41. ГОСТ 9.047—75. Покрытия металлические и неметаллические неоргани­ческие. Операции технологических процессов получения покрытий.

42. ГОСТ 19789—80. Микросхемы интегральные аналоговые. Основные пара­метры.

43. ГОСТ 17447—72. Микросхемы интегральные для цифровых вычислитель­ных машин и устройств дискретной автоматики. Основные параметры.

44. ГОСТ 24403—80. Микросхемы интегральные оптоэлектронные. Термины, определения и буквенные обозначения параметров.

45. ГОСТ 22565—77. Микросхемы интегральные. Запоминающие устройства и элементы запоминающих устройств. Термины, определения и буквенные обозна­чения электрических параметров.

227

46. ГОСТ 19480—74. Микросхемы интегральные. Электрические параметры. Термины, определения и буквенные обозначения.

47. ГОСТ 23089—78. Микросхемы интегральные. Методы измерения электри* ческих параметров операционных усилителей. Общие положения.

48. ГОСТ 5458—75. М атериалы керамические радиотехнические. Технические условия.

49. ГОСТ 13927—80. М атериалы пьезокерамические. Технические условия,50. ГОСТ 19604— 74. Бор трехбромистый особой чистоты. Технические ус*

ловия.51. ГОСТ 19670—74. Фосфор треххлористый особой чистоты. Технические

условия.52. ГОСТ 24354—80. Приборы полупроводниковые визуального представле­

ния информации. Основные размеры.53. ГОСТ 24352—80. Излучатели полупроводниковые. Основные параметры.54. ГОСТ 23622—79. Элементы логических интегральных микросхем. Основ­

ные параметры.55. ГОСТ 23448—79. Диоды полупроводниковые излучающие. Основные

размеры.56. ГОСТ 23547—79. Коммутаторы оптоэлектронные. Основные параметры.57. ГОСТ 15172—70. Транзисторы. Перечень основных и справочных пара­

метров.58. ГОСТ 15605—70. Диоды полупроводниковые. Перечень основных и спра­

вочных электрических параметров.59. ГОСТ 21322—75. Изделия электронной техники для устройств широкого

применения. Механические и климатические воздействия. Классификация по ус­ловиям применения.

60. ГОСТ 21518—76. Изделия электронной техники производственно-техни­ческого назначения и народного потребления. Требования к сохраняемости и ме­тоды испытаний.

61. Единая система программной документации.

С П И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1. П о н о м а р е в М. Ф. К онструкции и расчет микросхем и микроэлемен- тов ЭВА. — М.: Радио и связь, 1982.

2. С т е п а н е н к о И. П. Основы микроэлектроники. — М.: Советское ра- дио, 1980.

3. Е р м о л а е в Ю. П., П о н о м а р е в М. Ф., К р ю к о в Ю. Г. Конст* рукции и технология микросхем. — М.: Советское радио, 1980.

4. Конструирование и расчет больших гибридных интегральных схем, микро­сборок и аппаратуры на их основе/Под ред. Б. Ф. В ы с о ц к о г о . — М.: Радио н связь, 1981.

5. Ф о м и н А. В., Б о ч е н к о в Ю. И., С о р о к о п у д В. А. Технология, надежность и автоматизация производства Б ГИС и микросборок.— М.: Радио и связь, 1981.

6. Ч е р н я е в В. Н. Технология производства интегральных микросхем,— М.: Энергия, 1977.

7. Е ф и м о в И. Е., Г о р б у н о в Ю. И., К о з ы р ь И. Я. Микроэлектро* ника. — М.: Высшая школа, 1977, 1978.

8. Г р е б е н А. Б. Проектирование аналоговых интегральных схем. — М.: Энергия, 1976.

9. О с т а п е н к о Г. С. Аналоговые полупроводниковые интегральные мик­росхемы.— М.: Радио и связь, 1981.

10. К у р н о с о в А. И., Ю д и н В. В. Технология производства полупро­водниковых приборов и интегральных микросхем. — М.: Высшая школа, 1979.

11. Н и к о л а е в И. М., Ф и л и н ю к Н. А. Микроэлектронные устройства и основы их проектирования. — М.: Энергия, 1979.

12. М а л ы ш е в а И. А. Технология производства микроэлектронных уст­ройств.— М.: Энергия, 1980.

13. Интегральные схемы иа МДП-приборах/Пер. с аигл. под ред. А. Н. К а р - м а з и н с к о г о , — М.: Мир, 1975.

14. В о л к о в В. А. Сборка и герметизация микроэлектронных устройств,— М.: Радио и связь, 1982.

О Г Л А В Л Е Н И Е

П редисловие............................................................................................................................. 3

В вед ен и е .................................................................................................. , ............................... 5

ЧАСТЬ I. КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ П О Л У П РО В О Д Н И ­КОВЫХ И Н ТЕГРА ЛЬН Ы Х М И К Р О С Х Е М ............................................................. И

Г л а в а 1. Конструирование и технология полупроводниковых ИМС набиполярных тран зи сторах ....................................... ........................................................... 11§ 1.1. Элементы полупроводниковых ИМС на биполярных транзисторах . 11§ 1.2. Изоляция элементов и технологические процессы производства ИМС 28§ 1.3. Конструирование и расчет параметров элементов ИМС на биполяр­

ных транзисторах .................................................................................................... 24§ 1.4. Разработка топологии И М С .............................................................................. 45

Г л а в а 2. Конструирование и технология полупроводниковых ИМС науниполярных тр ан зи сто р ах ....................................................... 56

§ 2.1. Механизм работы и классификация М Д П -транзисторов ....................... 56§ 2.2. Особенности использования М ДП-транзистора как типового схем­

ного элемента И М С ............................................................................................... 58§ 2.3. Технологические процессы производства М Д П -И М С .............................. 59§ 2.4. Основные параметры МДП-структур и МДП-транзисторов . . . . 61§ 2.5. Режимы работы и связь между конструктивными и электрическими

параметрами М ДП-транзисторов в цифровых И М С ............................... 66§ 2.6. Конструирование транзисторов и топологии кристалла МДП-ИМС 75§ 2.7. Порядок расчета конструктивных и электрических параметров эле­

ментов М Д П -И М С ................................................................................................... 83

ЧАСТЬ II. КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ГИБРИ Д Н Ы Х И Н ­

ТЕГРА ЛЬНЫ Х М И К Р О С Х Е М ...................................................................................... 89Г л а в а 3. Конструирование и технология тонкопленочных Г И С .................. 89§ 3.1. Подложки тонкопленочных Г И С ....................................................... 89§ 3.2. Материалы элементов тонкопленочных Г И С .............................. 91§ 3.3. Методы формирования конфигураций элементов тонкопленочных

Г И С ................................................................................................................. 98§ 3.4. Компоненты Г И С ...................................................................................... 101§ 3.5. Конструктивные и технологические ограничения при проектировании

тонкопленочных Г И С .............................................................................................. 112§ 3.6. Расчет конструкций элементов тонкопленочных Г И С .............................. 117§ 3.7. Разработка топологии тонкопленочных Г И С ............................................. 134

Г л а в а 4. Конструирование и технология толстопленочных Г И С ................. 137§ 4.1. Платы толстопленочных Г И С .......................... ................................... 137§ 4.2. Пасты для толстопленочных Г И С ..................................................... 138§ 4.3. Основные технологические операции изготовления толстопленочных

Г И С ................................................................................................................................ 141§ 4.4. Разработка топологии толстопленочных Г И С ............................ 146§ 4.5. Конструктивный расчет элементов толстопленочных Г И С ......... 151

ЧАСТЬ III. О БЩ ИЕ ВОПРОСЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ И Н Т Е ГРА Л Ь­НЫХ М И К Р О С Х Е М ........................................................................................................... 155

Г л а в а 5. Конструктивные и технологические методы обеспечения требо­ваний к И М С ............................................................................................... 155

/ § 5.1. Технические условия на И М С ............................................................................. 155§ 5.2. Конструктивные меры защиты ИМС от воздействия дестабилизиру­

ющих ф ак т о р о в .......................................................................................................... 157§ 5.3. Обеспечение тепловых режимов работы И М С ............................................... 173§ 5.4. Обеспечение влагозащиты И М С ....................................................................... 179

Г л а в а 6. Автоматизация конструирования И М С ............................................... 184§ 6.1. Специализированная система автоматического проектирования топо­

логии И М С .................................................................................................................. 184§ 6.2. Работа с системой «К улон» ............................................................................... 190§ 6.3. Использование ЭВМ для расчета элементов Г И С ....................................... 192П р и л о ж е н и я ........................................................................................................................... 207

Приложение I. Примеры выполнения конструкторских документов . . . . 207

Приложение II. Состав и литерность технологических докум ен тов .................. 225

Приложение III. Перечень основных стандартов на И М С ................................ 226

Список литературы ............................................................................................................... 229