Анализ исходных данных и обоснование выбора конструкции ИМС

Рисунок 3.13 - Конструкция интегрального МДП-конденсатора: 1 — верхняя обкладка; 2 — алюминиевый вывод от нижней обкладки; 3 — подложка р-типа; 4— коллекторная п-область; 5 — п+-слой (нижняя обкладка конденсатора); 6 — тонкий окисел (диэлектрик конденсатора); 7 — толстый окисел

Типичный МДП-конденсатор  представляет собой обыкновенный плоский  конденсатор, и его емкость определяется по формуле, пФ:

                                                                    (3.13)

где: e_д/э – диэлектрическая постоянная; e₀ – диэлектрическая постоянная вакуума, e₀=8,85*10^-6 пФ/мкм; S – площадь верхней обкладки, мкм²; d – толщина диэлектрика, мкм.

В противоположность  диффузионным конденсаторам МДП-конденсаторы могут работать при любой полярности приложенного напряжения. Кроме того, их емкость не зависит от приложенного напряжения и частоты переменного тока.

3.3.1 Исходные данные для расчета:

- необходимое значение емкости: Сэ и Ср =5пФ;

Выбирается материал диэлектрика (   ε=3,9)

Выбирается толщину диэлектрика d=0,01 мкм.

Рассчитаем удельную емкость исходя из условий электрической  прочности:

 

                       _(3.15)

 

3.3.2 Расчет конденсаторов Ср и Сэ

Принимаем

 

Расчет площади верхней  обкладки  S.

 

Рассчитаем длину и ширину обкладок.

 

примем

3.3.3 Расчет конденсаторов Сф

Принимаем

 

Расчет площади верхней обкладки  S.

 

Рассчитаем длину и ширину обкладок.

 

примем

 

Результат расчета конденсаторов  приведен в таблице 3.4

 

Таблица 3.4-Результат  расчета конденсаторов.

Наименование	Lв, мкм	Bв,мкм	S,мм2	С, пФ
Сэ. Ср	38	38	1,44·10-5	5
Сф	65	65		15

 

 

 

4. Разработка топологии

 

 

Основой разработки топологии полупроводниковой ИМС  являются электрическая схема, требования к электрическим параметрам и к параметрам активных и пассивных элементов, конструктивно-технологические требования и ограничения.

Разработка  чертежа топологии включает в  себя следующие этапы:

- выбор конструкции и расчет активных и пассивных элементов ИМС;

- размещение элементов на поверхности и в объеме подложки и создание рисунка разводки (коммутации) между элементами;

- разработка предварительного варианта топологии;

- оценка качества топологии и ее оптимизацию;

- разработка окончательного варианта топологии.

Целью работы при разработке топологии является минимизация площади кристалла ИМС, минимизация суммарной длины проводников и числа их пересечений.

Важнейшей технологической  характеристикой, определяющей горизонтальные размеры областей транзисторов и других элементов ИМС, является минимальный геометрический размер (минимальный размер окна в окисле, минимальная ширина проводника, расстояния между ними и т.д.), который может быть уверенно сформирован при данном уровне технологий. Зазор между областью занимаемой транзистором, и другими элементами ИМС больше минимального размера d на величину боковой диффузии под окисел, которая при разделительной диффузии примерно равна толщине эпитаксиального слоя. При разработке топологии в данной курсовой работе выбран минимальный технологический размер в 1 мкм.      

Конструктивно-технологические  ограничения (не менее):

- ширина контактного окна к полупроводниковой области - 1 мкм;

- ширина алюминиевой дорожки - 2 мкм;

- перекрытие алюминиевой пленкой контактного окна - 1 мкм;

- расстояние между дорожками - 2 мкм;

- размер периферийной контактной площадки - 50 мкм;

- расстояние от контактной площадки до края кристалла - 40 мкм;

- расстояние от контактной площадки до элементов схемы - 15 мкм;

- ширина разделительной р-области - 3 мкм.

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, завышения размеров топологических зазоров приводит к увеличению площади кристалла

При проектировании топологии пользовались следующими правилами размещения элементов ИМС на площади кристалла:

 а) при размещении элементов ИМС и выполнении зазоров между ними необходимо строго выполнять ограничения соответствующие типовому технологическому процессу;

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

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

г) диффузионные резисторы можно пересекать проводящей дорожкой поверх слоя окисла кремния, покрывающего резистор;

д) форма и место расположения конденсаторов не являются критичными;

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

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

з) число внешних выводов схемы, а также порядок расположения и обозначения контактных площадок выводов ИМС на кристалле должны соответствовать выводам корпуса;

и) коммутация в ИМС должна 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;

к) 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 зависимости от типа выбранного корпуса по периметру кристалла или по двум противоположным ею сторонам;

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

м) при разработке аналоговых ИМС элементы входных дифференциальных каскадов должны иметь одинаковую топологию и быть одинаково ориентированными в плоскости кристалла; для уменьшения высокочастотной связи через подложку контакт к ней следует осуществлять в двух точках — вблизи входных и выходных каскадов.

Из выше изложенного  следует, что разработанный топологический чертеж соответствует всем ограничениям и разрабатывается для фотолитографического метода изготовления таких структур.

 

Топологический расчет транзистора:

- размеры эмиттера 15x15 мкм

- размеры базы 23х19 мкм

- размеры коллектора 35x23 мкм;

- размеры контактных  окон к каждой области не  менее 3х3 мкм

 

 

 

5. Контрольно-проверочный расчёт

 

 

1. Оценка теплового режима

 

Найдём тепловое сопротивления  структуры «рабочая» поверхность  кристалла - наружная поверхность корпуса  по следующей формуле:

где: - толщина подложки;

        - коэффициент теплопроводности кремния, Вт/(см-град);

       - толщина пресспорошка;

       - коэффициент теплопроводности кремния, Вт/(см-град).

где: - толщина пресспорошка;

       - коэффициент теплопроводности пресспорошка, см²·град/Вт.

Полное тепловое сопротивление  равно:

R_t = (R_t1-R_t2)/(R_t1+R_t2 ) = (1,0213-1 )/(1,0213+1) = 0,505 см²·град/Вт

Окончательно рассчитываем температуру элементов:

Т_эл = Р_эл- R_t/S_kp + Т_окр.ср = (1,2043-0,505)/1 + 320 = 320,6 К (47°С)

Допустимые же температуры  для кремниевых микросхем обычно составляют 80-125°С, что тоже противоречит полученному расчетным путём результату.

Практически, однако, кристаллы  полупроводниковых ИМС размещаются в стандартных корпусах, возможности которых передавать определённую мощность от кристалла в окружающую среду определяются эмпирическим путём. Каждый типоразмер выпускаемого промышленного корпуса рассчитан на определённую мощность рассеивания. Поэтому тепловой режим в данном случае обеспечивается подбором корпуса исходя из суммарной мощности, выделяемой полупроводниковой микросхемой.

 

 

 

6. Выбор способа защиты от внешних воздействий

 

 

Носитель интегральной микросхемы (корпус) служит мостом между  миниатюрными близко расположенными контактными площадками микросхем и более крупными соединительными проводниками на печатной плате. Корпус предназначен также для защиты микросхемы от механических и других воздействий дестабилизирующих факторов (температуры, влажности, солнечной радиации, пыли, агрессивных химических и биологических сред и др.).

Конструкция корпуса должна удовлетворять следующим  требованиям: надежно защищать элементы и стабильность характеристик материалов, находящихся в непосредственном соприкосновении с кристаллом полупроводниковой микросхемы или платой гибридной микросхемы, обеспечивать удобство и надежность монтажа и сборки микросхемы в корпусе; отводить от нее тепло; обеспечивать электрическую изоляцию между токопроводящими элементами микросхемы и корпусом; обладать коррозионной и радиационной стойкостью; обеспечивать надежное крепление, удобство монтажа и сборки корпусов в составе конструкции ячеек и блоков микроэлектронной аппаратуры; быть простой, дешевой в изготовлении, обладать высокой надежностью. Выводы корпуса должны быть механически прочными, устойчивыми к воздействию окружающей среды и технологическим воздействием при создании конструкций микроэлектронной аппаратуры, хорошо смачиваться припоем, поддаваться формовке, иметь высокую электропроводность. В зависимости от использованных для изготовления материалов корпуса подразделяют на стеклянные, керамические, пластмассовые, металлостеклянные, металлокерамические, металлополимерные, стеклокерамические и др. Металлические и металлокерамические корпуса состоят из металлического дна и металлической крышки, а также стеклянных и керамических деталей, в которые впаяны или впрессованы металлические круглого или прямоугольного сечения выводы. Металлическое дно также спаяно или спрессовано со стеклом или керамикой. Также корпуса герметизируются созданием вакуума — плотного соединения крышки с вваренными в диэлектрик фланцем за счет пайки или сварки. Монтажная площадка, контактные площадки и выводы таких корпусов имеют золотое покрытие толщиной 2...5 мкм для обеспечения монтажа кристаллов эвтектической пайкой и улучшения паяности выводов при сборке. Если золочение монтажной площадки не осуществляется, для монтажа микросхем в корпус эвтектическую пайку не применяют, а используют только клей холодного отверждения. Для изготовления металлостеклянных и металлокерамических корпусов используются дефицитные материалы: золото, никель — кобальтовые сплавы, — поэтому они применяются лишь для микросхем специального назначения, дорогостоящих БИС и СБИС с большим количеством выводов.

Керамические корпуса очень распространены, хотя они обладают худшими по сравнению с металлостеклянными и металлокерамическими корпусами защитными свойствами и характеристиками надежности из-за большей хрупкости керамического основания и крышки, если она выполняется тоже из керамики. Керамические корпуса имеют более высокое тепловое сопротивление. Наиболее дешев и доступен пластмассовый корпус. Защитные свойства  пластмассовых корпусов невысоки в связи с тем, что пластмассы обладают низкими влагозащитными характеристиками и, кроме того, герметичность соединений металла с пластмассой нарушается из-за большой (на порядок) разницы ТКЛР этих материалов. По этой причине применение пластмассовых корпусов разрешено для герметизации микросхем, устанавливаемых в стационарной аппаратуре, работающей в закрытых помещениях, в бытовой аппаратуре. Выбор конструктивного исполнения корпуса определяется назначением, условиями эксплуатации и требованиями по сборке, установке и монтажу микросхем на печатных платах. Для микросхем, рассеивающих большие мощности, необходимо использовать корпуса с радиаторами.

Выбор типоразмера корпуса  определяется размером необходимой  монтажной площадки для установки  кристалла, высотой микросхемы, а  также числом ее выводов.

Каждый вывод  корпуса микросхемы имеет свою нумерацию. Нумерация начинается в вывода расположенного в зоне ключа. В качестве ключа могут быть выступ, выемка, углубление или другой конструктивный знак на корпусе, знак или надпись, выполненные маркировкой.

Допускается применять корпус с большим, чем это необходимо по схеме числом выводов. При установке микросхемы на печатную плату незадействованные выводы удаляются, но нумерация выводов сохраняется. Каждому типу корпуса присущи свои преимущества и недостатки. Плоские прямоугольные металлокерамические, металлостеклянные корпуса обеспечивают высокие надежность и плотность монтажа, минимальные габаритные размеры и массу, однако они дороги. Наиболее дешевы монолитные пластмассовые корпуса, они обеспечивают наилучшую защиту микросхемы от механических воздействий, но не идут ни в какое сравнение с металлостеклянными корпусами в отношении защиты от климатических воздействий и обеспечения оптимальных тепловых режимов работы. Прямоугольные корпуса с выводами, расположенными за пределами проекции тела корпуса параллельно плоскости основания, позволяют производить их сборку на обеих сторонах печатной платы без создания в ней отверстий под выводы. Процесс сборки печатных плат при использовании таких корпусов можно автоматизировать.

Выбираем монолитный пластмассовый корпус тип 2, подтип 21 количество выводов 8, марка 2101 8 ГОСТ 17467-88, так как он обеспечивает наилучшую защиту микросхемы от механических воздействий и имеет низкую стоимость.