3. Разработка коммутационной схемы соединений

Нижеприведенные преобразования исходной электрической схемы ИМС и схематический план размещения элементов и соединений между ними на подложке ИМС на рис. 2 позволяют:

• упростить конфигурацию электрической схемы для уменьшения числа пересечений изгибов, получения прямых линий;

• выделить на преобразованной схеме пленочные и навесные элементы;

• обеспечить электрическую схему внутренними и внешними контактными площадками;

• расположить элементы и соединения с учетом равномерного распределения мощности рассеяния;

• расположить контактные площадки равномерно на поверхности подложки с учетом кратчайшего прохождения электрических сигналов с целью уменьшения их искажений.

рис. 2

4. Расчет тонкопленочных элементов микросборки

4.1. Расчет тонкопленочных резисторов

Конструктивно пленочный резистор представляет собой резистивную пленку, нанесенную на соответствующую подложку и состыкованную с контактными площадками. Исходными данными для расчета пленочных резисторов являются схемо­технические данные и данные по материалам (см. табл. 1.1…1.5).

Цель расчета - определение геометрических размеров и формы пленочных резисторов, обеспечивающих получение резисторов с воспроизводимыми и стабильными параметрами.

Производится расчет коэффициента формы К_ф для определения степени сложности геометрической конфигурации резисторов. Величина К_ф рассчитывается по формуле:

Для R1 К_ф =13800/200=69

Для R2 К_ф= 6900/200 =34,5

Так как у обоих резисторов К_ф>10, осуществляется расчет резисторов сложной геометрической формы типа «меандр». Геометрическая конфигурация меандра, состоящего из Г- образных звеньев, изображена на рис.4.1

Рис. 4.1.

На рис. 4.1 изображен "меандр", состоящий из пяти Г-образных звеньев, и вве­дены следующие обозначения: t = b + а — период ( шаг) звеньев; b - ширина резистивной пленки; а - расстояние между резистивными полосками; А и В - габаритные размеры "меандра" вдоль осей X и Υ соответственно. Расчет осуществляется по формуле:

b_p =

где: P_i - мощность рассеяния резистора;

Р₀ - удельная мощность рассеяния материала пленки резистора (берется из табл. 1.2).

Для R1

Для R2

Определяем расчетную ширину b_расч резистора по формуле:

где: b_техн- величина, обусловленная технологическими ограничениями,

b_техн — 100 мкм

где: - погрешности, вызванные точностью изготовления геометрических контуров пленки, которые при масочном методе изготовления состав­ляют ±10 мкм.

γ_{κф доп} - допустимая погрешность коэффициента формы резистора, которая оп­ределяется из выражения (4.5):

γ_{κф доп} =γ_Ri - γ_ps - γ_ctR - γ_Rt - γ_Rk ,

где: γ_Ri = δ|Ri| = 0,1 (10%) погрешность номинала Ri. Берется из исходных данных (см. табл. 1.1)

γ_ps = 0,02 (2%) - погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления;

γ_rк = 0,02 (1.. .2 %) - погрешность сопротивления контактов;

γ_ctr - относительное изменение сопротивления, рассчитывается по формуле:

γ_стR = К_стRΔt

где: K_ctR - коэффициент старения, характеризует временную нестабильность сопротивления,

K_ctR= 0,2·10^-5 1/час, исходные данные (табл. 1.2), Δt - время эксплуатации, Δt = 1000 часов, исходные данные (см. табл. 1.1)

γ_rt - относительная температурная погрешность, рассчитывается по формуле:

γ_Rт = α_Ri ΔT

где: α_Ri - температурный коэффициент сопротивления TKR, α_R1 = α_R2 = 0 1/ С, исходные данные (см. табл. 1.2)

ΔТ= Т_в - Т_н = 60 - интервал рабочих температур.

Для обоих резисторов:

y_cxR = 0,2· 10^-5 ·1000=0,002

γ_Κτ = 0·10^-4 -60=0

γ_{κφ доп} = 0,1 - 0,02 - 0,002 - 0- 0,02=0,058

Для R1: b_точн = [10+(10/69)]/0,058 = 175 мкм

Для R2: b_точн = [10+(10/34,5)]/0,058 = 177 мкм

Определяем расчетную ширину b_расч резистора:

Для R1: b_расч = 175 мкм

Для R2: b_расч = 177 мкм

Определяем оптимальное число звеньев n_опт «меандра»:

Значение n_опт рассчитывается, исходя из условия минимизации площади S_Ri «меандра». Минимальное значение S_Ri достигается при меандре квадратной формы, когда выполняются усло­вия А=В и а = Ь_расч. В этом случае:

Для R1:

Для R2:

Рассчитаем шаг t одного звена меандра.

Величина t рассчитывается по формуле:

t = a + b_расч. = 2b_расч

Для Rl: t =2·175=350 мкм

ДляR2: t =2·177=354 мкм

Определим габаритный размер А.

Значение А рассчитывается по формуле:

A = B = t n_опт. = 2b_расч.n_опт.

Для R1: А=350·6=2100 мкм

Для R2: А=354·4=1416 мкм

Рассчитаем уточненный габаритный размер В=В₀.

Необходимость корректировки размера В вызвана следующими причинами. Величина В получена в предположении, что общая длина I резистивной пленки, свернутой в виде меандра и обеспечи­вающей достижение номинала сопротивления Ri , равна длине вытянутой прямоли­нейной полоски, т.е. I = Ь_расч К_ф. На самом деле, при свертывании прямолинейной по­лоски в меандр общее сопротивление резистивной пленки увеличивается из-за уве­личения сопротивления R_H в местах прямоугольных изгибов. В связи с этим сопро­тивление меандра R_im превышает заданное номинальное значение сопротивления R_i? в связи с чем возникает необходимость в изменении геометрических размеров меан­дра. Корректировка осуществляется за счет изменения параметра В, оставляя неизменными ширину Ь_расч. резистивной пленки и размер А.

Уточненное значение размера В₀ определяется по следующей формуле:

B₀ = B – b_расч.[(m_и R_и /ρ_sn_опт.) - 2],

где m_и = 2n_опт.- 1 – число прямоугольных изгибов; R_и= 2,55ρ_s – сопротивление одного прямоугольного изгиба.

для R1: m_и = 2n_опт.- 1=2·6-1=11

В_о = 2100-175· [(11·2,55/6)-2] =1632 мкм

для R2: m_и = 2n_опт.- 1=2·4-1=7

В_о = 1416-177· [(7-2,55/4)-2] =980 мкм

Рассчитаем длину резистивной пленки меандра:

ℓ_м = n_опт.(B₀ + b_расч.),

для R1: ℓ_м = 6· (1632 +175)=10842 мкм,

для R2: ℓ_м = 4· (980 +177)=4628 мкм.

Определим полную длину резистивной пленки:

ℓ_полн. = ℓ_м + 2e,

где e – размер перекрытия контактной площадкой резистивной пленки выбирается из технологических ограничений (е ≥ 200).

для R1: ℓ_полн. = 10842 + 2-200= 11242 мкм,

для R2: ℓ_полн. = 4628 + 2-200= 5028 мкм.

Рассчитаем габаритную площадь S_r, занимаемую меандром.

S_r=AB₀.

для Rl: S_r = 2100·1632=3427200 мкм² ≈ 0,034 см²

для R2: S_r = 1416·980=1387680 мкм² ≈ 0,014 см²

Определим площадь S_Ri резистивной пленки:

S_Ri = ℓ_полн. b_расч.

для Rl: S_R1 = 11242·175=1967350 мкм² ≈ 0,02 см²

для R2: S_R2 = 5028·177=889956 мкм² ≈ 0,009 см²

Определим мощность рассеяния P_Ri резистором:

P_Ri=S_RiP₀,

где Р₀ - удельная мощность рассеяния резистивной пленки (Р₀ = 3 Вт/см²).

для Rl: P_R1 = 0,02·3 = 0,06 Вт =60 мВт,

для R2: P_R2 = 0,009·3 = 0,027 Вт =27 мВт.

Определим коэффициент К_з запаса по мощности:

K_з = P_Ri/P_i

для Rl: К₃= 60/12=5

для R2: К₃= 27/12=2,25

Для обоих резисторов величина К_з > 1, следовательно, оба резистора удовлетво­ряют исходным требованиям минимально допустимой мощности рассеяния.

Определяем общую площадь резисторов ИМС:

Общая площадь S_ri резисторов, расположенных на подложке ИМС, рассчитыва­ется по формуле:

где I - количество резисторов на подложке.

На подложке расположены два резистора R1 и один R2

S_RI= 2·S_RI+ S_R2 = 2·0,034+0,014 = 0,082 см²

После произведенных расчетов резисторы, расположенные на подложке ИМС, изображены на рис. 4.2 (масштаб 20:1).

рис. 4.2