Основы проектирования специализированных интегральных микросхем

Как известно, серийные интегральные микросхемы (ИМС) обладают высокой степенью специализации, поэтому часто на одних серийных ИМС построить необходимый электронный аппарат не удается. Необходимы дополнительные ИМС, которых не существует. Приходится их проектировать и изготавливать.

Такие несерийные ИМС имеют еще выше степень специализации и поэтому получили название специализированных. Специализированные — это гибридные ИМС, поскольку они имеют более шире полупроводниковые ИМС функциональные возможности и простую и гибкую (пригодную для быстрого изменения номенклатуры ИМС) технологию, необходимую для изготовления специализированных ИМС.
Поскольку специализированные — это гибридные ИМС, то их проектирования сводится к тонкопленочным гибридным ИМС. Исходные данные для проектирования приводят в техническом задании (ТЗ), которое содержит
— Схему электрическую принципиальную;
— Напряжение питания Е;
— Номиналы элементов;
— Допуски на номиналы;
— Рабочие частоты;
— Условия эксплуатации и тому подобное.

Последовательность проектирования.
1. Анализ ТЗ и выбор вида ИМС.
2. Составление заданной электрической схемы.
3. Приближенный расчет упорядоченной электрической схемы.
4. Расчет площади платы.
5. Конструирование и расчет геометрических размеров пленочных
элементов (резисторов, конденсаторов, катушек).
6. Размещение элементов на плате. Изготовление топологии ИМС.
7. Изготовление сборочного чертежа.
8. Проверочный расчет.
9. Изготовление чертежей отдельных слоев.
10. Составление таблиц координат конфигураций элементов в слое.

Подробнее этот вопрос рассмотрим на конкретном примере. Пусть ТС имеет следующее содержание: по приведенной на рис. 1 электрической схеме, напряжением питания, номиналами элементов и допусками на них спроектировать специализированную ИМС, предназначенную для работы в настольном радиоприемнике.

Безымянный

Схема электрическая принципиальная

Рис. 1. Схема электрическая принципиальная

I. Анализ ТС и выбор вида ИМС
Начиная анализ ТС и выбор вида ИМС, необходимо учитывать, что в основном заданную электрическую схему можно реализовать в любом виде (полупроводниковом или гибридном), но ее изготовления будет легким и экономическим лишь при условии реализации определенного вида.

Выбирая вид ИМС, учитывают следующие критерии:
1. Соотношение активных и пассивных элементов в электрической схеме.
2. Необходимость использования навесных компонентов.
3. Требования к точности и стабильности схемных элементов.
4. Частотный диапазон работы.
5. Рассеиваемая мощность.
6. Программа выпуска.

Часто предпочтение отдают одному из них. Если таким выбрано первый критерий, то делают так: когда в электрической схеме больше активных элементов, то ее рекомендуют производить в полупроводниковом виде, технология которого более пригодна для изготовления активных элементов. Если же в схеме больше пассивных элементов, то ее рекомендуют реализовать в гибридном виде, технология которого больше пригодна для изготовления пассивных элементов. В заданной электрической схеме больше пассивных элементов, поэтому мы выбираем гибридный вид. Для уточнения гибридного вида необходимо учесть величину рассеиваемой мощности. Большие мощности (Р ≥ 100 мВт) лучше рассеивают толстопленочные гибридные ИМС. Как будет показано во время электрического расчета, рассеиваемая мощность нашей схемы <100 мВт, поэтому выбираем тонкопленочный гибридный вид. Аналогично используют другие критерии. Что касается программы выпуска, то для малых программ выпуска (≤100000 шт/год) пригодна толстоплёночная технология, которая предусматривает выбор толстопленочного гибридного вида. Наше ТЗ требований по программе выпуска не содержит, поэтому воспользоваться этому критерию мы не можем. То же касается частотного диапазона работы.

II. Составление заданной электрической схемы.
Составление — это изменение размещений элементов без изменения системы связи между ними. Цель составления — сделать размещения элементов и выводов таким, каким оно будет на будущий микросхеме, и одновременно свести к минимуму сечения пленочных проводников. Упорядоченных вариантов может быть несколько. Одни из них приведены на рис. 2.

Упорядоченный вариант заданной в ТЗ электрической схемы

Рис. 2. Упорядоченный вариант заданной в ТЗ электрической схемы

ІІІ. Приближенный расчет упорядоченной электрической схемы.
При приближенном расчете определяют мощности, рассеиваемые резисторами и напряжениям, под которыми находятся конденсаторы. Расчет ведется на постоянном токе и для жестких режимов работы (когда на резисторах рассеиваются крупнейшие мощности, а конденсаторы находятся под наибольшим напряжением). Если по приведенным данным напряжение на конденсаторе определить нельзя, то его принимают равным напряжению питания.

В основу расчета мощностей возложена известна формула:

 Безымянный

Напряжения на конденсаторах принимаем равными напряжении питанию, поэтому Безымянный

IV. Расчет площади платы.
Площадь платы Безымянный— это площадь, на которой будет размещаться наша тонкопленочная гибридная ИМС. В нее входит площадь, занимаемая элементами схемы Безымянный, и площадь, находится между элементами. Последнюю учитывают с помощью коэффициента заполнения Безымянный, который выбирают различным 2…3. Площадь Безымянный определяют как сумму площадей резисторов Безымянный, конденсаторов Безымянный,
катушек навесных компонентов Безымянный, контактных площадок Безымянный. То есть

Безымянный

С учетом сказанного можно записать, чтоБезымянный

Площадь Безымянный равна сумме площадей, занятых каждым резистором в частности

Безымянный

где

Безымянный

Безымянный — мощность рассеяния Безымянный-го резистора; Безымянный — удельная мощность рассеяния, которая приводится в справочнике для каждого резистивного материала и содержится в пределах (≈ 1…3 Вт/см2); Безымянный -порядковый номер резисторов; n — количество резисторов.
Определяем площадь резисторов, приняв Безымянный = 1 Вт/см2.

Безымянный

Площадь конденсаторов Безымянный равна сумме площадей, занятых каждым конденсатором в частности:Безымянный

где Безымянный — емкость Безымянный-го конденсатора; Безымянный — удельная емкость, значение которой приводится в справочнике для каждого диэлектрика конденсатора (Безымянный = 8000 … 15000 пФ / см2); Безымянный — порядковый номер конденсаторов; Безымянный — количество конденсаторов.
Определяем площадь конденсаторов, приняв Безымянный = 10000 пФ/см2:

Безымянный

Аналогично находим площадь катушек индуктивности:

Безымянный

где Безымянный— индуктивность Безымянный-й катушки; Безымянный — удельная индуктивность, которая в справочнике не приводится, но практический опыт может быть взята равной 10 мк Гн/см2 Безымянный — порядковый номер катушек; Безымянный -количество катушек. Площадь контактных площадок Безымянный определяется произведением площади одной контактной площадки Безымянный на количество контактных площадок Безымянный, то есть

Безымянный

Площадь Безымянный приводится в руководящем техническом материале. Она различна для внутренних и внешних контактных площадок, для сварки и пайки. В тонкопленочных гибридных ИМС навесные элементы монтируют методом сварки. Для сварки Безымянный. Таких внутренних площадок в нашей схеме есть 6. Их суммарная площадь составляет 0,6 мм2. Минимальный размер внешней контактной площадки Безымянный, примерно в 1,2 раза больше внутреннюю, то есть

Безымянный

Внешних контактных площадок в нашей схеме является 7. Их суммарная площадь составляет 0,84 мм2. Суммарная минимальная площадь всех внутренних и внешних контактных площадок в нашей схеме составляет 1,44 мм2. Площадь навесных компонентов определяется произведением площади одного навесного компонента Безымянный на количество навесных компонентов Безымянный есть

Безымянный

Площадь Безымянный приводится в паспортных данных на навесные компоненты. Для транзисторов она равна ≈ 0,5 мм2. В нашей схеме есть два навесные транзисторы. Их суммарная площадь 1 мм2. Итак,
общая площадь платы составляет

Безымянный

Эту расчетную площадь необходимо сравнить со стандартными площадями плат и выбрать ближайший к расчетной площади размер стандартной платы, то есть размер 16×20 мм.

V. Конструирование и расчет геометрических размеров пленочных элементов.
При конструировании и расчете пленочных резисторов необходимо обеспечить номинал и рассеиваемую мощность. Учитывая это для расчета их геометрических размеров используют такие две формулы:

Безымянный

где Безымянный — удельное поверхностное сопротивление резистивной пленки (приводится в справочнике для каждого резистивного материала) Безымянный — длина и ширина пленочных резисторов. Решив эту систему уравнений относительно Безымянный, получим такие расчетные формулы:

Безымянный

Перед расчетом выбирают материал резисторов. Он должен иметь такое удельное поверхностное сопротивление, чтобы из одного материала можно было изготовить в одном технологическом цикле все четыре резисторы. Им является нихром. Из справочника для нихрома находим Безымянный и Безымянный, которые равные, соответственно, 500 Ом/кВ и 1 Вт/см2. Используя эти значения Безымянный и Безымянный по приведенным ниже формулам определяем длину и ширину каждого резистора:

Безымянный

Безымянный

В КТМ приводят технологические ограничения на минимальную ширину Безымянный и длину Безымянный резисторов Безымянный. Если при расчете получено, что Безымянный, то принимают Безымянный и перечисляют длину. Если же при расчете получено, что Безымянный, то принимают, что Безымянный и перечисляют ширину. Конструируя резисторы, необходимо учитывать, что в местах соединение резисторов с контактными площадками делают перекрытия резистивного и проводного слоев (рис. 3), величина которого Безымянный в соответствии с требованиями КТМ должна составлять 200 мкм. Поэтому расчетная длина резисторов увеличивается на Безымянный, то есть на 400 мкм. С учетом этого получим, что:
Безымянный
Минимальная ширина каждой контактной площадки Безымянный согласно требованиям КТМ на 400 мкм должна быть больше ширины резисторов (рис. 3). Конструируя зигзагообразные резисторы (это делают тогда, когда прямолинейные элементы не помещаются на плате), необходимо учесть, что на каждом сгибе теряют 0,45 Безымянный (рис. 3, б). Для компенсации этих потерь в расчетные формулы вместо R необходимо подставлять Безымянный, где Безымянный — количество сгибов.

Конструкции прямолинейных (а) и зигзагообразных (б) тонкопленочных резисторов: 1 - резистивный элемент; 2 - контактная площадка; 3 - токовые линии

Рис. 3. Конструкции прямолинейных (а) и зигзагообразных (б) тонкопленочных резисторов: 1 — резистивный элемент; 2 — контактная площадка; 3 — токовые линии

В конце определяют относительную погрешность изготовления тонкопленочных резисторов, которая должна быть в пределах заданного в ТЗ допуска ± 15%:.

Безымянный

где Безымянный — относительные погрешности длины, ширины и поверхностного сопротивления, которые равны соответственно 10%, 10% и 5%. Их значение обусловлено точностью технологических процессов изготовления трафаретов (фотошаблонов) и резистивных слоев. Конструируя тонкопленочные конденсаторы, выбирают квадратную форму обкладок, которая обеспечивает меньшие погрешности. При расчете необходимо обеспечить номинал емкости и электрическую прочность. Для этого используют известные формулы емкости плоского конденсатора С и его электрической прочности Е:

Безымянный

где Безымянный и Безымянный — диэлектрическая проницаемость и толщина диэлектрической прокладки, Безымянный — площадь перекрытия обкладок, Безымянный — рабочее напряжение. Перед началом расчета выбирают материал диэлектрической прокладки и за ним с справочных таблиц определяют электрическую прочность диэлектрика Е и его диэлектрическую проницаемость Безымянный. Одним из основных критериев выбора является
необходимость изготовления диэлектрических прокладок всех конденсаторов с одного материала. К другим критериям относятся: необходимость обеспечения высокой электрической прочности, временной и температурной стабильности конденсаторов, малых диэлектрических потерь. У нас таким диэлектриком может быть моноокись кремния, который имеет Безымянный. При расчете сначала из уравнения определяют толщину диэлектрической прокладки Безымянный.

Безымянный

В КТМ приведены ограничения на толщину диэлектрической прокладки. Согласно с ними Безымянный. Поскольку наше расчетное значение толщины является меньше в этой величины, то принимаем Безымянный и из уравнения определяем площадь верхней обкладки Безымянный, которой определяется площадь перекрытия обкладок (рис. 4):

Безымянный

Конструкция тонкопленочных конденсаторов: 1 - плата; 2 - верхняя обкладка; 3 - диэлектрическая прокладка; 4 - нижняя обкладка

Рис. 4. Конструкция тонкопленочных конденсаторов: 1 — плата; 2 — верхняя обкладка; 3 — диэлектрическая прокладка; 4 — нижняя обкладка

Используя эту формулу, получим площади верхних обкладок:
— для первого конденсатора

Безымянный

— для второго конденсатора

Безымянный

Площади нижних обкладок Безымянный получим, увеличивая геометрические размеры верхних обкладок на Безымянный = 200 мкм в каждую сторону, а площади диэлектрических обкладок Безымянный увеличивая геометрические размеры нижних обкладок на Безымянный = 200 мкм в каждую сторону. С учетом этих требований КТМ будем иметь:

— для первого конденсатора Безымянный
— для второго конденсатора Безымянный.
Определяем относительную погрешность изготовления тонкопленочных конденсаторов, которая должна быть в пределах заданного в ТЗ допуска ± 20%.

Безымянный

где Безымянный — относительные погрешности длины, ширины, толщины и диэлектрической проницаемости диэлектрической прокладки тонкопленочных конденсаторов, которые определяются
точностью технологических процессов. Требования к коммутации тонкопленочных гибридных ИМС такие, что не нужен ее расчет. В основном достаточно лишь обеспечение удельного поверхностного сопротивления пленочных проводников Безымянный. Если задана в ТЗ электрическая схема содержит катушки индуктивности, то их изготавливают в виде круглых или квадратных спиралей Архимеда. Для их расчета могут быть использованы формулы:

Безымянный

где Безымянный — круглая и квадратная спирали Архимеда, D и а — большой и малый диаметры (стороны квадрата) спирали Архимеда; N — количество витков. Поскольку в приведенных выше выражениях неизвестных больше чем уравнений, то для расчета используют метод подбора. Он состоит в том, что на основе априорной информации одни параметры задают, а другие на основе этого рассчитывают.

VI. Размещение элементов на плате. Изготовления топологии ИМС.
Следующим этапом проектирования специализированной ИМС является размещение элементов на плате, в результате которого получают сначала эскиз топологии, а затем и сам чертеж топологии.
Выбрав удобный для работы масштаб 10:1, учитывая требования КТМ по расстоянию элементов друг от друга, от края платы, от навесных компонентов и т.д., учитывая упорядоченную электрическую схему и рекомендации по последовательности размещения элементов (сначала внешние контактные плоскости, после пленочные элементы и в последнюю очередь систему соединений между ними), получим сначала эскиз топологии, а затем — ее чертежи.

 Полученные таким образом чертежи топологии тонкопленочной гибридной ИМС показано на рис. 5.

Чертежи топологии тонкопленочной гибридной ИМС

Рис. 5. Чертежи топологии тонкопленочной гибридной ИМС, электрическая схема которой приведена на рис. 1

VII. Изготовление сборочного чертежа.
В случае изготовления бескорпусной гибридной ИМС сборочный чертеж отличается от чертежа топологии только наличием навесных компонентов (рис. 5, 6). Когда же изготавливается корпусная гибридная ИМС, то в сборочный чертеж дополнительно входят элементы корпуса.

Сборочный чертеж тонкопленочной гибридной ИМС

Рис. 6. Сборочный чертеж тонкопленочной гибридной ИМС, электрическая схема которой приведена на рис. 1

На чертеже топологии и сборочном чертеже нумерация выводов приведена не в соответствии с электрической схемой, а в соответствии с требованиями КТМ, то есть начиная от ключа по часовой стрелке в последовательности роста.

VIII. Проверочный расчет.
Цель проверочного расчета — проверить, правильно изготовлено чертежи топологии, то есть определить, правильно ли размещены на плате элементы ИМС. Чаще всего критерием правильного расположения элементов является отсутствие перегрева теплочуствительных активных элементов. Разработано несколько методик расчета теплового режима ИМС, которые приведены в специальной литературе. Одна из самых простых предполагает четырех этапний расчет.
На первом этапе определяют перегрев на краю тепловыделяющих элементов (пленочного резистора), расположенного в центре платы:

Безымянный

 где Р — мощность пленочного резистора; Безымянный и Безымянный — коэффициент теплопроводности и толщина платы, соответственно; Безымянный — безразмерная температура, которая зависит от размеров Безымянный и Безымянный пленочного резистора.
На втором этапе рассчитывают перегрев Безымянный на краю пленочного резистора, расположенного на краю платы:

Безымянный

где N — безразмерный критерий, величина которого зависит от расстояния от центра платы.

Безымянный

где Безымянный — безразмерный критерий для центра, края и угла платы в соответствии.
На третьем этапе определяют перегрева Безымянный на расстоянии Безымянный от пленочного резистора:

Безымянный

где m — нормированная температура, которая зависит от расстояния Безымянный и критерия В.

Безымянный

где Безымянный— коэффициент тепловыделения с поверхности платы; Безымянный и Безымянный — длина и ширина платы соответственно.

На четвертом этапе рассчитывают суммарный перегрев каждого активного компонента Безымянный от каждого пленочного резистора. Например, для первого транзистора Безымянный

где n — количество резисторов; i — порядковый номер резистора.
Если сумма температуры среды, что окружает гибридную ИМС Безымянный и суммарного перегрева активного компонента Безымянный не превышает рабочей температуры активного компонента Безымянный, то топология изготовлена правильно (элементы на плате размещены правильно), то есть

Безымянный

Если приведенное выше неравенство не выполняется, необходимо увеличить расстояние активных компонентов от пленочных резисторов или использовать теплопроводную плату.

IX. Изготовление чертежей отдельных слоев
Если чертежи топологии тонкопленочной гибридной ИМС изготовлено правильно, то начинают «деталировки», то есть изготовление чертежей отдельных слоев (резистивного, проводного, диэлектрического). Ограничимся только чертежам диэлектрического слоя, которое приведено на рис. 7.Чертежи диэлектрического слоя

Рис. 7. Чертежи диэлектрического слоя

X. Составление таблиц координат конфигурации элементов в слое
Таблицы координат конфигурации элементов в слое необходимые для изготовления фотооригиналов. Их составляют для каждого слоя ИМС. Мы ограничимся составлением таблицы координат только для диэлектрического слоя. Начало координат размещаем в левом нижнем углу чертежа диэлектрического слоя. Каждую вершину плоской фигуры нумеруем и записываем ее координаты в таблицу координат.

Таблица координат

На этом проектирование тонкопленочной гибридной ИМС заканчивается.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

CAPTCHA image
*