ПИМС и МП. Лекции, задания / ЛабПрактПимс

2

УДК 621.3.49 ББК 32.97 Т 60

Торгонский Л.А. Проектирование интегральных микросхем и микропроцессоров: лабораторный практикум. – Томск: В-Спектр, 2012. – 36 с.

ISBN 978-5-91191-242-2

Практикум содержит описания лабораторных работ по дисциплине, задания, методические указания по выполнению, требования по представлению отчётности, вопросы для самоконтроля. К выполнению работ прилагаются приложения с каталогами, расчётными соотношениями, справочными материалами и примерами. Эти материалы вынесены в сопровождение практикума на электронные носители.

ISBN 978-5-91191-242-2

3

Лабораторная работа №4

Исследование размерных зависимостей в конструкциях п/п резисторов ..24

4

Лабораторная работа №1

АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ ГИБРИДНОЙ МИКРОСХЕМЫ

1.1. Цель работы

Изучение конструкций гибридных микросхем (ГИС) с целью сопоставления знаний теоретической подготовки, с техническими решениями, примененными в серийных изделиях.

1.2. Объекты изучения

Влабораторной работе предлагаются изучению модификации корпусированных гибридных микросхем низкой степени интеграции.

Всостав ГИС входят корпус, состоящий из основания и крышки, и плата, с размещенными на ней элементами и смонтированными компонентами. Плата установлена и закреплена на основании корпуса с помощью материала так называемой связки. На плате кроме элементов и компонент располагаются дополнительные знаки и фигуры, используемые в процессе производства плат и корпусированной микросхемы. К этим знакам относятся фигуры совмещения плат с масками (шаблонами), указатели номеров контактных площадок, тестовые фигуры если они предусмотрены в конструкции, маркировочные метки плат и компонент. Электрически плата

спомощью электромонтажных проводников соединена с выводами корпуса. Техническое исполнение монтажа и электромонтажа в предложенных изучению конструкций ГИС может быть различным. Имеются различия в конструктивном оформлении топологии плат.

Впроцессе выполнения работы следует произвести провести визуальное исследование конструкции и оформить отчёт по работе в соответствии заявленными по заданию требованиями.

1.3.Лабораторный макет

Всостав лабораторного оборудования включены:

–увеличительная лупа;

–микроскоп;

–планшет образцов гибридных микросхем в сборе и с удалённой (полностью или частично) крышкой корпуса;

–измерительный инструмент для контроля размеров корпуса и плат, если они не объявлены в каталоге;

–каталог электрических схем и цифровых фотографий предлагаемых исследованию микросхем (прил. А1, папка «КаталогГИС» является составной частью лабораторного цикла);

–учебная программа «МикроИМС» для работы с фотографиями микросхем с целью определения размеров недоступных механическому мери-

5

тельному инструменту и простановки указателей для выделяемых областей (программа «Микро» является составной частью лабораторного цикла).

Фотография микроскопа представлена на рис. 1.1. Оптический узел 1 микроскопа установлен на вертикальной на стойке 2. Положение оптического узла 1 фиксируется винтом 3.

Рис. 1.1 Фоторгафия мироскопа

Подвижная платформа 4, с размещаемым на ней исследуемым объектом может перемещаться по трём координатам. Перемещение платформы относительно оптического узла по горизонтальным направлениям осуществляется вращением лимбов 5 и 6. Перемещение платформы относительно оптического узла по вертикали осуществляется вращением лимба 7 (грубое перемещение) и лимба 8 (точное перемещение). Усиление микроскопа можно изменять, устанавливая один из четырёх объективов 14 с масштабными коэффициентами ×4; ×10; ×20; ×40 с помощью переключателя 9. Микроскоп имеет сменные окуляры 10 (усиление окуляров из комплекта

6

составляет ×12,5). Максимальное общее усиление микроскопа составляет 500, что позволяет при визуально различимом глазом человека размере 1–2 мм наблюдать элементы объектов с размерами не менее 2 мкм. Микро-

скоп укомплектован регулируемым устройством подсветки 11 исследуемого объекта и набором сменных пластин фильтров 12 подсветки объекта и изменения цвета наблюдаемых картин. Регулировка подсветки осуществляется рычажками 13. Микроскоп укомплектован программно управляемой цифровой камерой, которая может быть установлена на место одного из окуляров (на рис. 1.1 камера не показана). Сканируемое камерой изображение объекта через USB-интерфейс считывается и обрабатывается персональным компьютером. Цифровая камера оборудована собственным объективом с усилением ×60, что позволяет отображать на экране монитора компьютера размеры объектов с общим усилением 2400. Однако возможности названного усиления ограничены числом пикселей датчиков оцифровки изображений и числом пикселей в строке отображаемой монитором. Реальные визуально приемлемые картины соответствуют усилению 700–800 раз, т.е. размерам объектов 1–1,5 мкм.

Отсутствие в наблюдаемых через окуляры и через камеру на экране монитора картинах визирных меток и шкал вынуждает при контроле размеров прибегать к сравнительной оценке размеров. Сущность такой оценки заключается в представлении малых размеров объектов как части измеренных больших размеров объектов, например измеренного механическим инструментом размера кристалла, платы или основания корпуса.

Так как размеры плат гибридных микросхем обычно превышают (8–10) мм, то наблюдение конструкций ГИС и их составных частей предпочтительно можно осуществлять через оптическую лупу с увеличением в (3–5) раз, которая выдаётся исполнителю работы.

Исследуемые микросхемы с удалёнными крышками объединены в общем планшете, защищённом от внешних повреждений оптически прозрачными накладками. Для идентификации радиоэлементов на плате микросхемы исполнителям работы предоставляются электрические схемы исследуемых микросхем и цифровые фотографии микросхемы и её платы. Фотографии размещёны в каталоге лабораторного практикума.

В качестве измерительного инструмента исполнителям предоставляются штангенциркуль, которым с погрешностью не более 0,1 мм может быть определен линейный размер корпуса или, в отдельных исполнениях, платы микросхемы.

Лабораторное задание может исполняться с применением микроскопа, увеличительной лупы и образцов микросхем планшета.

Более удобной представляется технология исследования, основанная на применении цифровых фотографий. Для работы с фотографиями на компьютере подготовлена специализированная учебная программа «Мик-

7

роИМС» (см. краткое описание в прил. Б1 к лабораторному практикуму). Программа «МикроИМС» поддерживает определение размеров объектов платы или микросхемы по предварительно измеренному механическим инструментом «большому базовому размеру» и разметку объектов конструктивного состава, к которым невозможен доступ механическим мерительным инструментом. Объектами исследования при использовании пакета «МикроИМС» являются цифровые фотографии каталога вариантов микросхем из прилагаемого планшета микросхем.

С использованием цифровых фотографий задание лабораторной работы исполняется по компьютеризированной технологии. Программа «МикроИМС» с каталогом фотографий позволяет исключить техническое обслуживание и утомительные операции настройки микроскопа в процессе выполнения работы, исключить постоянную и крайне трудоёмкую подготовку рабочего материала (обновление отработанных и приведенных в неудовлетворительное состояние образцов микросхем).

Пользовательский интерфейс и инструкция пользователя программы «МикроИМС» приведены в приложении Б1 практикума.

1.4. Задание на лабораторную работу

1.4.1.Выполните анализ конструктивного состава и способов монтажа

иэлектромонтажа составных частей предложенной исследованию конструкции ГИС.

1.4.2.Выполните анализ конструктивного состава платы ГИС.

1.4.3.Оформите отчет по работе.

Примечание: Вариант задания исполнителям работы выдаётся руководителем занятия.

1.5. Методические указания по выполнению работы

К исполнению работы предоставляется доступ к программе работы с цифровыми фотографиями «МикроИМС» и каталогу цифровых фотографий ГИС. Вариант микросхемы к исполнению работы выдаётся на рабочую бригаду. Работа может выполняться в учебных лабораториях кафедры, оснащённых ПЭВМ с установленным пакетом «МикроИМС» и каталогом цифровых фотографий ГИС (либо на иных дистанционно удалённых территориях с использованием ПЭВМ, оснащённых накопителями для загрузки пакета «МикроИМС» и каталога фотографий).

1.5.1. По п. 1.4.1 следует выполнить следующие работы:

–ознакомьтесь с конструкцией и электрической схемой микросхемы, просматривая документы каталога и образцы планшета с применением увеличительной лупы;

–скопируйте фотографии по варианту задания для отчёта;

–ознакомьтесь с пользовательским интерфейсом программы «МикроИМС», пользуясь материалом приложения Б1;

8

–откройте с применением программы «МикроИМС» общую фотографию микросхемы, определите признаки идентификации номеров выводов микросхемы и ориентации платы в корпусе;

–визуально оцените и аргументируйте предположительные способы монтажа платы в корпусе;

–визуально оцените и аргументируйте способ монтажа крышки к основанию корпуса;

–визуально оцените и аргументируйте способ электромонтажа платы в корпусе;

–визуально определите факт наличия защитных покрытий платы в конструкции ГИС;

–оцените количество расходных материалов на 1000 изделий в погонных единицах и объёмах;

–определите и проставьте габаритные размеры ГИС;

определите и проставьте на эскизе (копии) размеры установочной зоны для платы в корпусе.

– определите и проставьте габаритные размеры платы ГИС; Примечание:

1.При измерении габаритных размеров примените механический измерительный инструмент, если размеры не проставлены на фотографии.

2.При выполнении остальных пунктов параграфа 4.1 задания исполнитель может пользоваться лупой, микроскопом, планшетом микросхем или фотографиями по программе «МикроИМС».

1.5.2.По п.4.2 задания следует выполнить следующие работы:

– откройте с помощью программы «МикроИМС» фотографию платы, выполните разметку радиоэлементов по электрической схеме (в отсутствие электрической схемы разметку выполните относительно ключа платы);

– снимите копию с полученного изображения;

– определите число плёночных слоёв, размещённых на плате;

– определите топологический объект, выполняющий функцию ключа ориентации платы, укажите в комментарии способ его исполнения и местоположение на плате;

– определите и прокомментируйте способ электромонтажа компонент на плате;

– определите признаки и топологические знаки ориентации, фиксации расположения компонентов на плате, тип слоя и способ нанесения топологических знаков;

– определите размеры контактных площадок и факт выделения для них специальной области на плате;

– определите размеры защитного промежутка от элементов топологии до края платы;

9

–определите факт выделения буферной зоны между контактными площадками и областью размещения элементов и компонент (при наличии определите её размеры и размеры общей области размещения элементов и компонент микросхемы);

–определите размеры и форму контактов монтажа компонент на платах;

–определите факт наличия, расположение и размеры фигур совмещения и тестовых элементов на плате;

–руководствуясь измеренным сопротивлением, указанного на схеме ре-

зистора, определите сопротивление квадрата резистивной плёнки платы R•;

–определите форму и размеры радиоэлементов и компонент ГИС;

–выполните измерение минимальных размеров (элементов и расстояний между элементами принятых в топологии платы и оцените технологические погрешности линии рисунка dл и совмещения шаблонов dc;

–по форме элементов и сопротивлению квадрата определите сопротивления резисторов и представьте их либо в виде обозначений на схеме, либо в виде таблицы;

–полагая удельную мощность рассеяния плёнок проводников равной

Руд = 2 Вт/см2 и сопротивление квадрата проводника R•П = 0.1 Ом, определите допустимый рабочий ток Iр плоских проводных соединений;

–оцените допустимые мощности рассеяния резисторов Рр платы при удельной мощности рассеяния равной 2 Вт/см2 и представьте их либо в виде обозначений на схеме, либо в таблице сопротивлений;

–определите факт наличия на плате радиоэлементов с подгонкой номинала, приведите комментарий по поводу способа подгонки и применённого диапазона подгонки;

–подготовьте эскиз топологии и продольного разреза одного из резисторов платы с обозначением всех размерных цепей и их значений (оцените

необходимое перекрытие по длине Lп и сопротивление контактного перехода Rк, приняв значение удельного сопротивления Rо = 0,05 Ом*мм2 );

–определите факт наличия маркировки платы, размеры, способ нанесения, место и размеры зоны её размещения.

1.5.3. Оформите отчёт по лабораторной работе. Расчётные соотношения к выполнению расчётных оценок:

1)R• = R· B/L – сопротивление R, ширина B, длина L измеренного резистора платы;

2)Iр ≤ В·√(Руд/ R•п);

3)Рр ≤ Руд·Lp·Bp – Рр, Вр, Lp – мощность, ширина, длина резистора;

4)Lп = 1,5√(Ro/ R•);

5)Rк = [1,5√(Ro·R•)]/B;

6)Ri = R•· Li/Bi – L i, Bi – длина и ширина i-го резистора микросхемы;

7)dл = Вmin/20, dc = [(Вп.min – Вmin)/2] – d л,

10

где Вп.min, Вmin есть минимальные значения ширины перекрывающего контакта и ширины перекрытой резистивной полосы соответственно – [ мкм]; dл и dc – абсолютные значения технологической погрешности линейных размеров и совмещения слоёв соответственно – [ мкм].

1.6. Работа с микроскопом

Микроскоп не является обязательным прибором для выполнения работы по стендовому анализу конструкции ГИС. Он применяется для получения цифровых фотографий. Если, тем не менее, исполнитель намерен применить микроскоп, то следует для этого согласовать возможность применения с руководителем занятия.

1.7. Содержание отчета

Отчет по работе (форма титульного листа представлена в приложении В1) оформляется на бригаду исполнителей (1–2 чел.) и должен содержать:

–наименование, цель работы;

–задание и вариант задания на работу;

–краткую характеристику состава применённого лабораторного оборудования;

–результаты работы:

а) электрическую схему ГИС (с обозначением радиоэлементов и оцененных номинальных параметров резисторов);

б) фотографию ГИС (со стороны крышки с позиционным указанием объектов состава и сведений о них по п. 5.1);

в) фотографию платы ГИС (с указанием объектов и сведений о них по

п. 5.2);

г) эскизы радиоэлементов не отражённые и дополняющие фотографию платы и оценочные расчёты;

– заключение по результатам работы с комментарием степени интеграции, плотностей плоскостной и объемной компоновки (эл/мм2, эл/мм3) платы и микросхемы.

1.8. Вопросы для самоконтроля

1.8.1. По какому критерию определяется состав сборочной единицы? Назовите сборочный состав исследуемой ГИС.

1.8.2 .Из каких объектов состоит плата исследуемой ГИС? При каких условиях плата является деталью ГИС?

1.8.3. Какое назначение имеют так называемые ключи ориентации микросхемы, платы, компонентов? Какие формы, способы исполнения ключей приняты в исследуемой микросхеме?

1.8.4.Определите отличительные черты для понятий «монтаж» и «электромонтаж» микросхемы. Какие монтажные и электромонтажные способы применены в производстве исследуемой ГИС?

1.8.5.Как оценить технологические размерные допуски принятые в производстве исследуемой ГИС?