Глава 2. Проектирование гибридных интегральных микросхем (гис)

2.1 Конструктивно-технологические особенности.

В основу разработки гибридных ИМС положены функционально узловой метод конструирования и групповые методы изготовления.

Основные особенности, которые необходимо учитывать при разработке ГИС, обусловлены их конструктивно-технологическим исполнением.

В конструктивном отношении ГИС представляет собой заключенную в корпус плату, на поверхности которой сформированы пленочные элементы и смонтированы компоненты.

Тип конструкции определяется материалом и размером платы, способом формирования пленочных элементов, типами компонентов и способами их монтажа на плату, типом корпуса и способом монтажа платы в корпусе. По способу формирования пленочных элементов ГИС, как уже отмечалось, подразделяются на тонкопленочные и толстопленочные. Вид технологии определяет материал и размер платы, который в свою очередь определяет типоразмер корпуса.

В качестве компонентов в ГИС используют кристаллы полупроводниковых приборов и ИМС.

В зависимости от способа монтажа ГИС подразделяются на микросхемы с жесткими и гибкими выводами компонентов. В последнем случае сначала производят крепление компонентов на плату, а затем производят присоединение проволочных выводов.

Компоненты с жесткими выводами монтируются с помощью шариковых, столбиковых, балочных или ленточных выводов. При этом, как правило, не требуется предварительного крепления компонентов на плате, так как необходимая жесткость и механическая прочность обеспечивается с помощью этих выводов.

Монтаж платы в корпус включает в себя закрепление платы на основании корпуса и последующее присоединение периферийных контактных площадок с выводами корпуса.

В общем случае выбор типа конструкции ГИС и технологии ее изготовления обусловлен как техническими параметрами схемы и условиями ее эксплуатации, так и экономическими факторами.

Техническое задание на проектирование содержит сведения о характеристиках разрабатываемой ИМС и является исходной информацией для проектирования. Типовое техническое задание содержит следующие сведения:

0. принципиальную электрическую схему с перечнем элементов;

1. характеристики рабочего сигнала;

2. электрические характеристики ИМС;

3. напряжение питания;

4. условия эксплуатации.

Проектирование ГИС включает в себя выбор типов компонентов, расчет и конструирование пленочных элементов, а также разработку топологической структуры и конструкции всей микросхемы. При решении вопроса о количестве схем на одной подложке важно определить удобный для производства размер подложки, возможность сборки ГИС, а также свести к минимуму число межэлементных соединений, учитывая при этом необходимость решения проблемы теплоотвода.

Поэтому важным моментом при проектировании ГИС является определение функциональной сложности схемы с учетом вышеперечисленных факторов.

2.2 Определение функциональной сложности.

Интегрально-групповая технология изготовления пассивной части ГИС позволяет реализовать на одной плате либо несколько однотипных схем, либо одну схему повышенной функциональной сложности.

Поэтому определение функциональной сложности сводится к определению оптимального числа элементов, реализуемых в составе одной ГИС с учетом как функционально-узлового метода проектирования, так и процента выхода годных схем и экономических затрат на их производство.

Пусть на плате размещено N однотипных элементов, характеризующихся одинаковой вероятностью изготовления одного годного элемента P, которая не зависит от числа элементов на плате, а определяется только случайными дефектами и отклонениями параметров. Тогда вероятность изготовления одной годной платы с N элементами:

Pn=PnP0;

(2.1)

где P₀ – вероятность выхода годных плат, обусловленная общими для всех подложек факторами и не зависящая от числа элементов.

При этом, если схема содержит m элементов, то с учетом брака общее число плат:

;

(2.2)

Поскольку число элементов m в схеме задано, то и минимальное число плат с учетом брака будет при наибольшем значении знаменателя в (2.2). Для определения оптимального значения числа однотипных элементов N_опт произведение NP^NP₀ представим в виде функции:

;

(2.3)

и найдем ее максимальное значение.

Приравняв первую производную функцию (2.3) к нулю и произведя соответствующие преобразования, получим:

;

(2.4)

или

;

(2.5)

Следовательно, при известной вероятности изготовления годного элемента P, оптимальное число элементов на плате:

;

(2.6)

Так как P1, то N_опт всегда положительное число.

Однако разрабатываемые ГИС содержат не только однотипные элементы, которые по воспроизводимости свойств сильно различаются в зависимости от размеров и конфигурации, но также и разнотипные элементы (резисторы, конденсаторы, навесные компоненты), характеризующиеся различной вероятностью брака. В этом случае для определения оптимальной сложности ГИС все однотипные элементы с примерно одинаковой вероятностью брака разбивают на группы и принимают условие, что вероятность брака одного элемента в группе не зависит от числа элементов в группе, а определяется только технологией и конструкцией элемента. Тогда по аналогии с (2.2) общее число плат:

;

(2.7)

где N₁, N₂, ... N_k – число элементов в каждой из K групп;

P₁, P₂, ... P_k – средние вероятности изготовления годного элемента в каждой из этих групп;

N_=N₁+N₂...+N_k – общее число элементов в ГИС.

В этом случае оптимальное число элементов на плате:

;

(2.8)

В результате определения функциональной сложности оформляется электрическая схема на узел, которая подлежит реализации в гибридном исполнении.