2 Расчетно-конструкторский раздел

2.1 Выбор и обоснование конструкции микросхемы

При проектировании микросхем одной из важных задач является расчёт их конструктивных элементов.

Конструктивными элементами гибридных микросхем, для которых проводятся расчёты формы и размеров являются пассивные элементы (резисторы и конденсаторы).

Расчёт этих элементов проводится исходя из требований электрической схемы и электрофизических свойств выбранных плёночных материалов.

При проектировании необходимо учитывать, какие методы формирования конфигурации были выбраны для конкретного слоя.

Для формирования конфигураций проводящего, резистивного и диэлектрических слоев используют различные методы:

масочный (соответствующие материалы напыляют на подложку через съемные маски);

фотолитографический (пленку наносят на всю поверхность подложки, а затем вытравливают с определенных участков);

электроннолучевой (некоторые участки пленки удаляют по заданной программе с подложки с испарением под воздействием электронного луча);

лазерный (аналогичен электроннолучевому, только вместо электронного применяют луч лазера).

Наибольшее распространение получили масочный и фотолитографический способы, а также их комбинация.

В состав гибридных микросхем наряду с рассчитываемыми пассивными элементами могут входить и отдельные навесные компоненты, выполняющие функции как активных, так и пассивных элементов схемы.

2.2 Конструктивный расчет тонкопленочных резисторов

Конструктивный расчет тонкопленочных резисторов заключается в определении: I) формы, II) геометрических размеров, III) минимальной площади, занимаемой резисторами на подложке.

При этом необходимо, чтобы резисторы обеспечивали рассеивание заданной мощности, удовлетворяя требуемой точности по номинальному значению в условиях существующих технологических ограничений.

При конструировании тонкопленочных резисторов задаются: номинальное значение сопротивления резистора (R, Ом), мощность, которую рассеивает резистор (т.е. электрическая энергия, которая теряется в виде тепла, P, мВт), погрешность воспроизведения номинального значения сопротивления (γ_R, %), максимальная рабочая температура (T_max,°С).

При изготовлении тонкопленочных резисторов обычно используется метод фотолитографии, который точнее масочного метода изготовления. Шаг координатной сетки 1 мм, масштаб графического изображения резистора на чертеже соответствует 20:1.

В качестве материала резистивной пленки может применяться:

а) хром с параметрами: удельное поверхностное сопротивление пленки ρ_S=500 Ом/□, диапазон номинальных значений сопротивлений R=100…50 000 Ом, допустимая удельная мощность рассеяния P₀= , температурный коэффициент сопротивления (ТКР) α_R=0,6∙10^–4 град^–1;

б) сплав РС-3001 с параметрами: удельное поверхностное сопротивление пленки _S=1000 Ом/, диапазон номинальных значений сопротивлений R=100…50 000 Ом, допустимая удельная мощность рассеяния P₀= , температурный коэффициент сопротивления α_R=0,210^-4 град^-1.

Необходимо, чтобы ТКР материала был минимальным, а удельная мощность рассеяния P₀ − максимальной.

Проверка правильности выбранного материала с точки зрения точности изготовления резисторов определяется оценкой величины полной относительной погрешности изготовления пленочного резистора (см. табл. 1), которая состоит из суммы погрешностей _R=_Кф+_s+_Rt+_Rст+_Rк, где

_Кф − погрешность коэффициента формы;

_s − погрешность воспроизведения величины _s резистивной пленки;

_Rt − температурная погрешность;

_Rст − погрешность, обусловленная старением пленки;

_Rк − погрешность переходных сопротивлений контактов.

Погрешность коэффициента формы _Кф зависит от погрешностей геометрических размеров длины l и ширины b резистора:

_Кф= .

Погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления _s зависит от условий напыления и материала резистивной пленки. В условиях серийного производства ее значение не превышает_s ≤ (4…5)%.

Температурная погрешность _Rt зависит от ТКР материала пленки:

_Rt=_R∙(T_max  20^oC),

где _R − температурный коэффициент сопротивления материала пленки, град^–1.

Если T_max = 55^oC, то получается, что _Rt=0,210^-4(5520)=0,0007=0,07%.

Погрешность, обусловленная старением пленки _Rст, вызвана медленным изменением структуры пленки во времени и ее окислением. Она зависит от материала пленки и эффективности защиты, а также от условий хранения и эксплуатации. Обычно для ГИС _Rст ≤ 3%.

Погрешность переходных сопротивлений контактов _Rк зависит от технологических условий напыления пленок, удельного сопротивления резистивной пленки и геометрических размеров контактного перехода. Однако, для контактных площадок из золота с подслоем хрома (нихрома) можно не учитывать погрешность контактного перехода между контактной пленкой и резистивной пленкой. В этом случае величина _Rк ≤ 2%.

Если при вычислении допустимая погрешность коэффициента формы получается положительной величиной _Кф=_R_s_Rст_Rt_Rк > 0, материал для изготовления резистора выбран правильно.

Конструкции резисторов выбирают в зависимости от условий на рис. 3.

Рисунок 3 – Конструкция резистора прямоугольной формы:

а) ; б)

Для резисторов, имеющих К_ф<1, сначала определяют длину l, а затем ширину резистора b.

Для резисторов, имеющих К_Ф≥1, сначала определяют ширину b, а затем длину l резистора.

Коэффициент формы резистора определяется по формуле: . Если К_Ф≥1, проектируется резистор прямоугольной формы как показано на рис.3,б и расчет начинается с определения ширины b (рис. 4).

Рисунок 4 – Тонкопленочный резистор: 1 – резистивная пленка; 2 – контактная пленка проводящего материала; 3 – подложка

Ширину резистора выбирают из условия: b ≥ max {b_p, b_точн, b_техн}.

1) Вычисляем значение b_р – минимальная ширина резистора, при которой рассеивается заданная мощность: , мкм.

2) Вычисляем значение b_точн – минимальная ширина резистора, при которой обеспечивается заданная точность: b_точн

где Δb, Δl – точность воспроизведения геометрии резисторов (Δb=Δl=10 мкм для метода фотолитографии).

3) Вычисляем значение b_техн – минимальная ширина резистора, определяемая разрешающей способностью выбранного метода формирования конфигурации (для метода фотолитографии минимальная ширина резистора b_техн =100 мкм).

Рассчитанная ширина b резистора равна значению, которое является наибольшим из трех вычисленных значений b_p, b_точн, b_техн:

b ≥ max {b_p, b_точн, b_техн}.

4) В дальнейшем используется округленное, с учетом шага координатной сетки, значение b_p.

5) Длина тонкоплёночного резистора находится по формуле: l = K_Ф∙b.

6) Полная длина резистора с учетом перекрытия контактных площадок находится по формуле: l_полн = l +2e, где е = 0,2 мм (минимально допустимое расстояние между краем плёночного резистора и краем его контактной площадки).

7) Площадь, занимаемая резистором на подложке, находится по формуле: S = l_полн∙b, мм².

В результате расчёта определяются геометрические размеры тонкоплёночного резистора: b, мм, l, мм, S, мм².

Для резисторов, имеющих К_ф<1, сначала определяют длину, а затем ширину резистора по аналогичной методике.

1) Расчетное значение длины резистора равно l ≥ max {l_p, l_точн, l_техн}, где

l_P − минимальная длина резистора, при которой рассеивается заданная мощность: ;

l_точн − минимальная длина резистора, при которой обеспечивается заданная точность (для фотолитографии l,b=0,01мм): l_точн ≥ ;

l_техн − минимальная длина резистора, определяемая разрешающей способностью выбранного метода формирования конфигурации (для фотолитографии l_техн=0,3 мм; l,b=0,01мм).

За длину резистора принимают ближайшее к рассчитанному l значение, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии.

2) Полная длина резистора равна: l_полн=l+2e, где е = 0,2 мм (минимально допустимое расстояние между краем плёночного резистора и краем его контактной площадки).

3) Расчетная ширина резистора: b= . За ширину резистора принимают ближайшее к b значение, кратное шагу координатной сетки.

Площадь, занимаемая резистором на подложке, определяется по формуле:

S = l_полн∙b.

Проверка расчетов

1) Удельная мощность рассеяния P’₀ не должна превышать допустимого значения P₀:

P’₀= <P₀, ;

2) Погрешность коэффициента формы ’_Kф не должна превышать допустимого значения _Kф:

’_Kф=l/l_полн+b/b<_Kф;

3) Суммарная погрешность ’_R не должна превышать допуска _R:

’_R=_S+_KФ+_Rt+_Rk+_Rст<_R.

Исходные данные для дальнейшего расчёта сведены в таблицу 1.

Таблица 1 – Исходные данные для расчета

	R1, R3	R2, R4	R5, R6
Номинал резистора R, кОм	1,5	0,62	1,2
Мощность резистора P, мВт	26	11	21
Допуск на номинал ΔR, %	9
Максимальная рабочая температура Tmax, ºС	55
Шаг координатной сетки, мм	1

Результаты конструктивного расчета внести в таблицы 2 и 3.

Таблица 2 – Данные по расчёту ширины резисторов R1, R2, R3, R4, R5, R6

Резистор	bтехн мм	bточн, мм	bP мм	b мм	S мм2	P’0 мВт/мм2	’Kф %	’R %
R1, R3
R2, R4
R5, R6

Таблица 3 – Данные по расчёту длины резисторов R1, R2, R3, R4, R5, R6

Резистор	lтехн мм	lточн мм	lP мм	l мм	S мм2	P’0 мВт/мм2	’Kф %	’R %
R1, R3
R2, R4
R5, R6