Конструирование микросхем и микропроцессоров

Скачать работу - Конструирование микросхем и микропроцессоров

Микросхема должна удовлетворять общим техническим условиям и удовлетворять следующим требованиям: ° С; Вид производства - мелкосерийное, объем - 5000 в год.

Аннотация

Ц

елью данного курсового проекта является разработка интегральной микросхемы в соответствии с требованиями, приведенными в техническом задании.

Микросхема выполняется методом свободных масок по тонкопленочной технологии. В процессе выполнения работы мы выполнили следующие действия и получили результаты: - произвели электрический расчет схемы с помощью программы электрического моделирования “VITUS”, в результате которого мы получили необходимые данные для расчета геометрических размеров элементов; - произвели расчет геометрических размеров элементов и получили их размеры, необходимые для выбора топологии микросхемы; - произвели выбор подложки для микросхемы и расположили на ней элементы, а также в соответствии с электрической принципиальной схемой сделали соединения между элементами; - выбрали корпус для микросхемы с тем расчетом, чтобы стандартная подложка с размещенными элементами помещалась в один из корпусов, рекомендуемых ГОСТом 17467-79. Введение

П

риведем принципы работы и основные характеристики разрабатываемой микросхемы: Микросхема К 237 ХА 2 предназначена для усиления и детектирования сигналов ПЧ (промежуточной частоты) радиоприемных устройств не имеющих УКВ диапазона, а также для усиления напряжения АРУ (автоматической регулировки усиления). Широкополосный усилитель ПЧ состоит из регулируемого усилителя на транзисторах Т4, Т5 и Т6. Усиленный сигнал поступает на детектор АМ-сигналов (амплитудно-модулированных сигналов), выполненный на составном транзисторе Т7, Т8. Низкочастотный сигнал с резистора R19, включенного в эмиттерную цепь, подается через внешний фильтр на предварительный усилитель НЧ (низкой частоты), а также через резистор R15 на базу транзистора Т3, входящего в усилитель АРУ. Усиленное напряжение АРУ снимается с эмиттера транзистора Т2. Изменение напряжения на эмиттере транзистора Т2 вызывает изменение напряжения питания транзистора Т1, а следовательно и его усиления. На частоте 465 кГц коэффициент усиления усилителя ПЧ составляет 1200 - 2500. Коэффициент нелинейных искажений не превышает 3%. Если входной сигнал меняется от 0,05 до 3 мВ, то изменение выходного напряжения не превышает 6дБ. Напряжение на выходе системы АРУ при отсутствии выходного сигнала составляет 3 - 4,5 В. Напряжение питания составляет 3,6 - 10 В. Потребляемая мощность не более 35 мВт.

Анализ задания на проект

М

икросхема усиления промежуточной частоты (ПЧ) К 237ХА2 может быть изготовлена по тонкопленочной технологии с применением навесных элементов.

Конструкция микросхемы выполняется методом свободной маски, при этом каждый слой тонкопленочной структуры наносится через специальный трафарет. На поверхности подложки сформированы пленочные резисторы, конденсаторы, а также контактные площадки и межэлементные соединения.

Пленочная технология не предусматривает изготовление транзисторов, поэтому транзисторы выполнены в виде навесных элементов, приклеенных на подложку микросхемы.

Выводы транзисторов привариваются к соответствующим контактным площадкам.

Электрический расчет принципиальной схемы

Э

лектрический расчет производился с помощью системы “VITUS”. Система VITUS - это компьютерное инструментальное средство разработчика электронных схем.

Система VITUS позволяет рассчитать токи, напряжения, мощности во всех узлах и элементах схемы, частотные и спектральные характеристики схемы.

Система VITUS объединяет в себе компьютерный аналог вольтметров, амперметров и ваттметров постоянного и переменного тока, генераторов сигналов произвольной формы, многоканального осциллографа, измерителя частотных характе-ристик.

Система VITUS : · · требуемые результаты расчета в графическом виде; · параметров элементов; · под управлением дружественного интерфейса.

Основной задачей электрического расчета является определение мощностей, рассеиваемых резисторами и рабочих напряжений на обкладках конденсаторов. В результате расчета были получены реальные значения мощностей и напряжений, которые являются исходными данными для расчета геометрических размеров элементов.

Результаты расчета приводятся в расчете геометрических размеров элементов.

Данные для расчета геометрических размеров тонкопленочных элементов Таблица 3. Данные для расчета резисторов

Резистор	Р ном , Вт	g R		Резистор	Р ном , Вт	g R
R1	1,41E-6	0,2	0,1	R11	4,46E-3	0,22	0,1
R2	3,36E-8	0,22	0,1	R12	2,23E-4	0,2	0,1
R3	2,47E-4	0,22	0,1	R13	1,79E-5	0,2	0,1
R4	1,98E-4	0,22	0,1	R14	1,05E-2	0,2	0,1
R5	8,58E-6	0,22	0,1	R15	3,91E-10	0,22	0,1
R6	5,35E-13	0,2	0,1	R16	1,27E-6	0,2	0,1
R7	3,21E-5	0,2	0,1	R17	3,46E-4	0,2	0,1
R8	3,30E-3	0,22	0,1	R18	1,95E-4	0,2	0,1
R9	7,4E-5	0,2	0,1	R19	1,97E-4	0,2	0,1
R10	4,51E-5	0,2	0,1

Таблица 4. Данные для расчета конденсаторов

Конденсатор	U раб , В
C1	2,348	0,23	0,115

Расчет геометрических размеров тонкопленочных резисторов, выполненных методом свободной маски (МСМ) 1. Исходные данные: а). конструкторские: R н - номинальное сопротивление резистора; g R - относительная погрешность номинального сопротивления; P н - номинальная мощность; T ° max C - максимальная рабочая температура МС; t экспл - время эксплуатации МС. б). технологические: D b ( D l ) - абсолютная погрешность изготовления; D l устан - абсолютная погрешность совмещения трафарета; 2. Определяем диапазон , в котором можно вести расчет: 0,02 R max min 900 Видим, что неравенство не выполняется, значит все эти резисторы изготовить из одного материала невозможно. Чтобы мы все же могли изготовить резисторы, надо разбить их на две группы и для каждой группы выбрать свой материал.

Таблица 5. Разбивка резисторов на группы

Первая группа	R1, R6, R7, R9, R10, R12, R13, R14, R16, R17, R18, R19 (500 - 4250 Ом)
Вторая группа	R2, R3, R4, R5, R8, R11, R15 (10 - 45 кОм)

Расчет резисторов первой группы. 1. Определяем диапазон , в котором можно вести расчет: 0,02 R max min 85 Видим, что неравенство выполняется, следовательно эти резисторы выполняются из одного материала. Для того чтобы резисторы были как можно меньше выберем материал с как можно большим удельным поверхностным сопротивлением ( МЛТ-3М”. Этот материал обладает следующими характеристиками: Таблица 6. Материал для первой группы резисторов

№	Наименование	, Ом/	a R , 1/ ° C	P 0 , мВт/мм 2	S, %/10 3 час
1	Сплав МЛТ-3М s К0,028,005,ТУ	200 -500	0,0002	10	0,5

Как уже говорилось, лучше взять как можно больше, т.е. в данном случае это a R ), низким коэффициентом нестабильности (старения) (S), хорошей адгезией и технологичностью. 2. Вычислим относительную температурную погрешность: 3. Вычислим относительную погрешность старения: t исп - время испытания за которое определен коэффициент старения S; t исп = 1000 часов. 4. Вычислим относительную погрешность контактирования: зададимся 5. Вычислим относительную погрешность формы: g кф = g R - - = 0,2 - 0,1 - 0,026 - 0,025 -0,01=0,039; 6. Определение вида резистора (подстраиваемый или неподстраиваемый): g кф > D b/ b max , где b max = 2 мм g кф > 0,01 резистор неподстраиваемый.

Предпочтение отдается неподстраиваемому резистору. 7. Вычислим коэффициент формы рассчитываемого резистора: = 950/500 = 1,9; 8. Определение вида резистора (прямой или меандр): Если коэффициент формы меньше 10, то резистор прямой, а если больше десяти, то резистор изготовляется в форме меандра.

Предпочтение отдается прямому резистору. В данном случае резистор изготовляется прямым. 9. Определение ширины резистора по мощности рассеяния: 10. Определение основного размера по заданной точности: D l= D b=0,02 при условии, что коэффициент формы больше единицы. 11. Выбор основного размера: b = 0,78 мм 12. Определение длины резистора: 13. Проверка проведенных расчетов: расчет выполнен правильно ! На этом этапе мы рассчитали первый резистор из первой группы (R1). Расчет остальных резисторов этой группы аналогичен и далее не приводится.

Результаты расчета всех резисторов данной группы сведены в таблицу.

Таблица 7. Результаты расчета резисторов первой группы

Резистор	Кф	bmin g , мм	bmin p , мм	b, мм	l, мм	Вид резистора
R1	1,9	0,78	0,0086	0,78	1,48	Прямой, неподстр.
R6	1,9	0,78	0,0000053	0,78	1,48	Прямой, неподстр.
R7	8,5	0,57	0,02	0,57	4,85	Прямой, неподстр.
R9	1	1,03	0,086	1,03	1,03	Прямой, неподстр.
R10	6	0,60	0,03	0,60	3,60	Прямой, неподстр.
R12	1	1,03	0,15	1,03	1,03	Прямой, неподстр.
R13	2	0,77	0,03	0,77	1,54	Прямой, неподстр.
R14	7	0,59	0,39	0,59	4,13	Прямой, неподстр.
R16	7	0,59	0,0043	0,59	4,13	Прямой, неподстр.
R17	5	0,62	0,083	0,62	3,10	Прямой, неподстр.
R18	2	0,77	0,10	0,77	1,54	Прямой, неподстр.
R19	2	0,77	0,10	0,77	1,54	Прямой, неподстр.

На этом расчет резисторов первой группы завершен. Все резисторы получились прямыми и неподстраиваемыми.

Благодаря этому размеры резисторов минимальны, что позволит располагать их на подложке компактно и с наибольшей степенью интеграции.

Расчет резисторов второй группы. 1. Определяем диапазон 0,02 R max min 900 Видим, что неравенство выполняется, следовательно эти резисторы выполняются из одного материала. Для того чтобы резисторы были как можно меньше выберем материал с как можно большим удельным поверхностным сопротивлением ( КЕРМЕТ”. Этот материал обладает следующими характеристиками: Таблица 8. Материал для второй группы резисторов

№	Наименование		a R , 1/ ° C	P 0 , мВт/мм 2	S, %/10 3 час
2	Кермет К-50С ЕТО,021,013,ТУ	5000	0,0004	10	0,5

Этот материал обладает хорошими характеристиками, свойственными резистивным материалам, а именно: низким ТКС ( a R ), низким коэффициентом нестабильности (старения) (S), хорошей адгезией и технологичностью. 2. Вычислим относительную температурную погрешность: 3. Вычислим относительную погрешность старения: t исп - время испытания за которое определен коэффициент старения S; t исп = 1000 часов. 4. Вычислим относительную погрешность контактирования: зададимся 5. Вычислим относительную погрешность формы: g кф = g R - - = 0,22 - 0,1 - 0,052 - 0,025 -0,01=0,033; 6. Определение вида резистора (подстраиваемый или неподстраиваемый): g кф > D b/ b max , где b max = 2 мм g кф > 0,01 резистор неподстраиваемый.

Предпочтение отдается неподстраиваемому резистору. 7. Вычислим коэффициент формы рассчитываемого резистора: = 14000/5000 = 2,8; 8. Определение вида резистора (прямой или меандр): Если коэффициент формы меньше 10, то резистор прямой, а если больше десяти, то резистор изготовляется в форме меандра.

Предпочтение отдается прямому резистору. В данном случае резистор изготовляется прямым. 9. Определение ширины резистора по мощности рассеяния: 10. Определение основного размера по заданной точности: D l= D b=0,02 при условии, что коэффициент формы больше единицы. 11. Выбор основного размера: b = 0,82 мм 12. Определение длины резистора: 13. Проверка проведенных расчетов: расчет выполнен правильно ! На этом этапе мы рассчитали первый резистор из второй группы (R2). Расчет остальных резисторов этой группы аналогичен и далее не приводится.

Результаты расчета всех резисторов данной группы сведены в таблицу.

Таблица 9. Результаты расчет резисторов второй группы

Резистор	Кф	bmin g , мм	bmin p , мм	b, мм	l, мм	Вид резистора
R2	2,8	0,82	0,0011	0,82	2,30	Прямой, неподстр.
R3	9	0,67	0,052	0,67	6,03	Прямой, неподстр.
R4	7	0,70	0,053	0,70	4,90	Прямой, неподстр.
R5	2,5	0,85	0,0185	0,85	1,03	Прямой, неподстр.
R8	2,5	0,85	0,36	0,85	2,13	Прямой, неподстр.
R11	2	0,91	0,47	0,91	1,82	Прямой, неподстр.
R15	2	0,91	0,00014	0,91	1,82	Прямой, неподстр.

На этом расчет резисторов второй группы завершен. Все резисторы получились прямыми и неподстраиваемыми.

Вследствие этого размеры резисторов минимальны, что позволит располагать их на подложке компактно и с наибольшей степенью интеграции.

Расчет резисторов закончен ! Расчет контактных переходов для резисторов первой группы 1. Исходные данные для низкоомных резисторов: R н - номинальное сопротивление резистора; - удельное поверхностное сопротивление; b min - минимальная ширина резистора; 2. Рассчитаем максимально допустимое значение сопротивления контактного перехода: 3. Рассчитаем сопротивление контактного перехода: 4. Проверка условия: R к доп должно быть больше, чем R к п . Условие соблюдается. 5. Находим минимальную длину контактного перехода: 6. Находим реальную длину контактного перехода: Остальные резисторы данной группы удовлетворяют этому условию.

Расчет контактных переходов для резисторов второй группы 1. Исходные данные для высокоомных резисторов: R н - номинальное сопротивление резистора; - удельное поверхностное сопротивление; b min - минимальная ширина резистора; 2. Рассчитаем максимально допустимое значение сопротивления контактного перехода: 3. Рассчитаем сопротивление контактного перехода: 4. Проверка условия: R к доп должно быть больше, чем R к п . Условие соблюдается. 5. Находим минимальную длину контактного перехода: 6. Находим реальную длину контактного перехода: Остальные резисторы данной группы удовлетворяют этому условию.

Расчет геометрических размеров тонкопленочных конденсаторов, выполненных методом свободной маски (МСМ) 1. Исходные данные: а). конструкторские: C н - номинальная емкость конденсатора; g C - относительная погрешность номинальной емкости; U p - рабочее напряжение на конденсаторе; T ° max C - максимальная рабочая температура МС; t экспл - время эксплуатации МС. б). технологические: D b ( D l ) - абсолютная погрешность изготовления; D l устан - абсолютная погрешность совмещения трафарета; 2. Выбор материала диэлектрика: В качестве материала диэлектрика будем использовать “СТЕКЛО ЭЛЕКТРОВАКУУМНОЕ”. Характеристики этого материала приведены в таблице: Таблица 10. Материал диэлектрика конденсатора

Материал	С 0 , пФ/мм 2	e	tg d	E пр, В/мкм	a с , 10 -4	S, %/1000ч
Стекло электровакуумное С41-1 НПО.027.600	100 - 300	5 - 6	0,002 - 0,005	200 - 400	2	1,5

3. Определение толщины диэлектрика: мкм, где К з - коэффициент запаса, необходимый для обеспечения надежностных характеристик и равный 2 - 4. Примем К з = 2. 4. Определение удельной емкости по рабочему напряжению: 5. Определение коэффициента формы конденсатора: Для большей компактности микросхемы выберем коэффициент формы конденсатора равным двум.

Конденсатор такой формы удобнее разместить на подложке, чем квадратный. Кф = 2; 6. Определение относительной погрешности старения: t исп - время испытания за которое определен коэффициент старения S; t исп = 1000 часов. 7. Определение относительной температурной погрешности: 8. Вычисление относительной погрешности: 0,23-0,115-0,026-0,075 = 0,014; 9. Определение удельной емкости по относительной погрешности: ; 10. Определение вида конденсатора: Результаты расчета показали, что конденсатор будет изготавливаться неподстраиваемым. Это наиболее оптимальный вид конденсатора. 11. Выбор удельной емкости: Удельная емкость выбирается из следующего соотношения: и удовлетворять диапзону самого материала. С 0 = 300 пФ/мм 2 12. Определение площади перекрытия обкладок: S = C н /C 0 =3800/300 = 12,7 мм 2 ; 13. Определение размеров верхней обкладки: 14. Определение размеров нижней обкладки: 15. Определение размеров диэлектрика: 16. Определение площади, занимаемой конденсатором: мм 2 . На этом расчет конденсатора закончен.

Конденсатор получился неподстраиваемым.

Вследствие этого его размеры минимальны, что позволит расположить его на подложке компактно и с наибольшей степенью интеграции.

Расчет конденсаторов закончен ! Выбор и обоснование топологии 1. Выбор топологии производится на основе принципиальной электрической схемы данной микросхемы; 2. Выбран вариант технологического процесса - метод свободной маски; 3. Перечень конструкторских и технологических ограничений: Оборудование имеет шесть позиций: - низкоомные резисторы и подслой для контактных площадок - высокоомные резисторы - нижняя обкладка конденсатора и соединительные проводники - диэлектрик конденсатора - верхняя обкладка конденсатора и контактные площадки - защитный слой; 4. Ограничение перечня элементов в пленочном исполнении; 5. Произведен расчет геометрических размеров элементов; 6. Определение необходимой площади подложки: зап =0,5-0,75 Из перечня стандартных размеров выбираем подходящие размеры подложки . Исходя из проведенных расчетов выберем подложку с размерами 12x20 мм. 7. При проведении граф-анализа данной схемы установлено, что все пленочные и навесные элементы расположены в плоскости, и схема их соединений удовлетворяет всем конструкторским и технологическим требованиям. Граф - анализ электрической принципиальной схемы Рис. 3. Граф - схема Топология Рис. 4. Топология Обоснование выбора корпуса

В

ыбор типоразмера корпуса произведен согласно геометрическим размерам подложки. Выбор типоразмера корпуса произведен с таким расчетом, чтобы подложка стандартных размеров с размещенными на ней элементами помещалась в выбранный корпус.

Корпус 1221.18-5 ГОСТ 17467-88. Корпус металлостеклянный прямоугольной формы с продольным расположением выводов. Он обладает следующими достоинствами: хорошо экранирует плату от внешних наводок; изоляция коваровых выводов стеклом обеспечивает наилучшую герметизацию и устойчивость к термоциклированию; крепление крышки контактной сваркой обеспечивает хорошую герметизацию и прочность; хорошо согласовывается с координатной сеткой.

Технологическая часть Последовательность технологического процесса 1. Изготовление масок; 2. Подготовка подложек; 3. Формирование тонкопленочной структуры; 4. Подгонка номиналов; 5. Резка пластин на кристаллы; 6. Сборка; 7. Установка навесных элементов; 8. Контроль параметров; 9. Корпусная герметизация; 10. Контроль характеристик; 11. Испытания; 12. Маркировка; 13. Упаковка.

Методы формирования тонкопленочных элементов

О

сновными методами нанесения тонких пленок в технологии ГИМС являются: термическое испарение в вакууме, катодное, ионно-плазменное и магнетронное распыления. Термическое испарение в вакууме 10 -3 - 10 -4 Па предусматривает нагрев материала до температуры, при которой происходит испарение, направленное движение паров этого материала и его конденсация на поверхности подложки.

Рабочая камера вакуумной установки (Рис. 5, а) состоит из металлического или стеклянного колпака 1, установленного на опорной плите 8. Резиновая прокладка 7 обеспечивает вакуум-плотное соединение.

Внутри рабочей камеры расположены подложка 4 на подложкодержателе 3, нагреватель подложки 2 и испаритель вещества 6. Заслонка 5 позволяет в нужный момент позволяет прекращать попадание испаряемого вещества на подложку.

Степень вакуума в рабочей камере измеряется специальным прибором - вакуумметром. Рис. 5. Методы осаждения тонких пленок а) - термическое испарение в вакууме; б) - катодное распыление; в) - ионно-плазменное распыление; 1 - колпак; 2 - нагреватель подложки; 3 - подложкодержатель; 4 - подложка; 5 - заслонка; 6 - испаритель; 7 - прокладка; 8 - опорная плита; 9 - катод-мишень; 10 - анод; 11 - термокатод Катодным (ионным) распылением (Рис. 5, б) называют процесс, при котором в диодной системе катод-мишень 9, выполненный из распыляемого материала, оседающие в виде тонкой пленки на подложке 4. Ионизация инертного газа осуществляется электронами, возникающими между катодом-мишенью 9 и анодом 10 при U= 3-5 кВ и давлении аргона 1-10 Па. При ионно-плазменном распылении (Рис. 5, в) в систему анод 10 - катод-мишень 9 вводят вспомогательный источник электронов (термокатод 11). Перед началом работы рабочая камера 1 откачивается до вакуума 10 -4 Па и на термокатод 11 подается ток, достаточный для разогрева его и создания термоэлектронного тока (термоэлектронная эмиссия). После разогрева термокатода 11 между ним и анодом 10 прикладывается U=200 В, а рабочая камера наполняется инертным газом (Ar) до давления 10 -1 - 10 -2 Па - возникает газовый плазменный разряд. Если подать отрицательный потенциал на катод-мишень 9 (3-5 кВ), то положительные ионы, возникающие вследствие ионизации инертного газа электронами, будут бомбардировать поверхность катода-мишени 9, распылять его, а частицы материала оседать на подложке 4, формируя тонкую пленку.

Определенная конфигурация элементов ИМС получается при использовании специальных масок, представляющих собой моноили биметаллические пластины с прорезями, соответствующими топологии (форме и расположению) пленочных элементов. Для формирования сложных ТПЭ большой точности применяют фотолитографию, при которой сплошные пленки материалов ТПЭ наносят на подложку, создают на ее поверхности защитную фоторезистивную маску и вытравливают незащищенные участки пленки.

Существует несколько разновидностей этого метода.

Например, рпи прямой фотолитографии вначале на диэлектрическую подложку наносят сплошную пленку резистивного материала и создают защитную фоторезистивную маску, черз которую травят резистивный слой. Затем эту маску удаляют и сверху наносят сплошную пленку металла (например, алюминия). После создания второй фоторезистивной маски и травления незащищенного алюминия на поверхности подложки остаются полученные ранее резисторы, а также сформированные проводники и контактные площадки, закрытые фоторезистивной маской.

Удалив ненужную более маску, на поверхность наносят сплошную защитную пленку (например, SiO 2 ) и в третий раз создают фоторезистивную маску, открывая участки защитного покрытия над контактными площадками.

независимая оценка акций в Калуге
оценка зданий в Туле
оценка ущерба после залива квартиры в Орле