ПИМС и МП. Лекции, задания / ЛабПрактПимс

11

1.8.6.Для чего и какими техническими решениями обеспечивается пространственная ориентация компонентов при монтаже их на плате исследуемой ГИС?

1.8.7.Какие размеры контактных переходов приняты для соединений компонентов с плоскими элементами платы, разных элементов платы, площадок внешних подключений платы к выводам корпуса в исследуемой ГИС? От чего эти размеры зависят?

1.8.8.Для чего на корпусе и на платах должны размещаться маркировочные знаки? Имеются ли эти знаки на исследуемой ГИС? Способ исполнения маркировки?

1.8.9.Как определить сопротивление квадрата резистивной плёнки исследуемой микросхемы? Как определить технологический разброс названного параметра? Какие конструктивные меры следует применять для обеспечения удобств контроля названных параметров?

1.8.10.Остаётся ли неизменным значение удельной мощности рассеяния плёнок материалов в зависимости от способов монтажа объектов конструкции ГИС?

Приложение А1

Каталог ГИС

Эскизы принципиальных электрических схем, фотографии плат и сборочных единиц гибридных микросхем по вариантам размещены в отдельной папке кафедральной сети, путь доступа: Cesir/AOS/tla/УМК ПИМСиМП/ УчебноМетодПособ/ ЛабЦикл/ПриложенияЛабРаб_1/Приложение А1/ КаталогГИС

Приложение Б1

Специализированная программа измерений и разметки объектов на цифровых фотографиях «МикроИмс»

Путь доступа: Cesir/AOS/tla/УМК ПИМСиМП/ УчебноМетодПособ/ ЛабЦикл/ПриложенияЛабРаб_1/ПриложениеБ1

Приложение В1

Форма титульного листа отчёта

Путь доступа: Cesir/AOS/tla/УМК ПИМСиМП/ УчебноМетодПособ/ ЛабЦикл/ПриложенияЛабРаб_1/ПриложениеВ1

12

Лабораторная работа №2

АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ МИКРОСХЕМЫ

2.1. Цель работы

Изучение конструкций полупроводниковых микросхем (ПИМС) с целью сопоставления знаний, полученных при теоретической подготовке, с техническими решениями, примененными в серийных изделиях.

2.2. Объекты изучения

Влабораторной работе предлагаются изучению модификации корпусированных полупроводниковых микросхем низкой и средней степени интеграции.

Всостав ПИМС входят корпус, состоящий из основания и крышки, и кристалл, как носитель радиоэлементов. Монтаж кристалла исполнен на основании корпуса или специальной подложке помощью материала так называемой связки. На кристалле кроме радиоэлементов располагаются дополнительные знаки и фигуры, используемые в процессе производства. К этим знакам относятся фигуры совмещения, ключи отсчета номеров контактных площадок, возможно, тестовые фигуры, маркировочные метки кристаллов. Электрически кристалл с помощью электромонтажных проводников соединен с выводами корпуса. Техническое исполнение монтажа

иэлектромонтажа в предложенных изучению конструкций ПИМС может быть различным.

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

2.3.Лабораторный макет.

Всостав лабораторного оборудования включены технические средства,

применённые в лабораторной работе 1. К выполнению работы взамен каталога фотографий гибридных микросхем придаётся каталог цифровых фотографий электрических схем, общего вида и кристаллов полупроводниковых микросхем (ПриложениеА2«КаталогПИМС»). При необходимости ознакомьтесь с разд. 3 описания лабораторной работы 1.

При формировании каталога цифровых фотографий кристаллов применён темнопольный микроскоп с увеличением около 200 крат, что позволило повысить качество воспроизведения минимальных размеров на кристаллах. Исследование конструкции ПИМС выполняется по «картинкам» экрана монитора ПЭВМ. Пакет «МикроИМС» с каталогом фотографий позволяет исключить техническое обслуживание и утомительные операции настройки микроскопа в процессе выполнения работы, исключить постоянную и

13

крайне трудоёмкую подготовку рабочего материала (обновление отработанных и приведенных в неудовлетворительное состояние образцов микросхем).

2.4. Задание на лабораторную работу

2.4.1.Выполните анализ конструктивного состава и способов монтажа составных частей предложенной исследованию конструкции ПИМС.

2.4.2.Выполните анализ конструктивного состава кристалла ПИМС.

2.4.3.Оформите отчет по работе.

Примечание: Вариант задания исполнителям работы выдаётся руководителем занятия.

2.5. Методические указания по выполнению работы

Материалы вариант микросхемы к исполнению работы выдаётся руководителем занятия по каталогу цифровых фотографий ПИМС предлагаемых исследованию микросхем (прил. А2, папка «КаталогПИМС» является составной частью лабораторного цикла) и предоставляется доступ к программе «МикроИМС» (программа «МикроИМС» является составной частью лабораторного цикла).

Работа может выполняться в учебных лабораториях кафедры, оснащённых ПЭВМ с установленным пакетом «МикроИМС» и каталогом цифровых фотографий ПИМС, с приданным планшетом образцов микросхем и лупой, для удобства внешнего осмотра ИМС. Нет особых ограничений для постановки лабораторной работы на иных дистанционно удалённых территориях с использованием ПЭВМ, оснащённых накопителями для загрузки пакета «МикроИМС» и каталога фотографий. Описание работы с программой «МикроИмс» приведено в прил. Б1 руководства к работе №1 по исследованию конструкции ГИС.

2.5.1. По п.2.4.1 задания следует выполнить следующие работы:

–откройте фотографию общего вида исследуемой ИМС в программе «МикроИМС», произведите разметку составных частей, сопроводите их надписями, снимите копию экрана для отчёта и сопроводительными надписями объектов состава ИМС;

–определите и проставьте габаритные размеры ПИМС;

–определите размеры установочной зоны для кристалла в корпусе, пользуясь указанным или измеренным значением размера корпуса ИМС;

–выполните оценку размера кристалла, пользуясь указанным или измеренным значением размера корпуса ИМС;

–визуально определите и аргументируйте предположительные способы монтажа кристалла;

–определите и аргументируйте способ монтажа крышки к основанию корпуса (если таковые имеются);

–определите и аргументируйте способ электромонтажа кристалла в корпусе;

14

–определите факт наличия защитных покрытий кристалла в конструкции ПИМС;

–определите принятый способ идентификации номеров выводов ПИМС;

–оцените количество расходных материалов на 1000 изделий; Примечание:

1. Для определения габаритных размеров пользуйтесь механическим

измерительным инструментом, если размеры не указаны на фотографиях. 2. При выполнении остальных пунктов параграфа 5.1 используйтесь по

своему выбору лупой, микроскопом, планшетом микросхем и программой «МикроИМС».

2.5.2. По п.2.4.2 задания следует выполните следующие работы:

–откройте с помощью программы «МикроИМС» фотографию кристалла;

–выполните разметку радиоэлементов по электрической схеме (в отсутствие электрической схемы выполните разметку радиоэлементов относительно ключа кристалла, а для схем средней степени интеграции (155КП5, 155КП7) выполните разметку радиоэлементов базисного логического элемента), сопроводите их надписями;

–снимите копию изображения экрана (Print Screen) для отчёта (с сопроводительными надписями радиоэлементов кристалла или базисного логического элемента);

–определите число слоёв структуры кристалла;

–определите топологический объект кристалла, выполняющий функцию ключа ориентации кристалла, укажите в комментарии местоположение на плате, его форму;

–определите размеры контактных площадок и факт выделения для них зоны размещения на кристалле;

–определите наличие и размеры зоны по краю кристалла с удалённым окислом;

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

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

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

–выберите по одному радиоэлементу (резистор, диод, входной и выходной транзистор и пр.) и определите их размеры, прокомментируйте принятую форму;

–приведите предположительные варианты структур выбранных радиоэлементов;

15

– руководствуясь заданным значением сопротивления, указанного на схеме резистора (или входным током лог. нуля I0 при известной схеме входной цепи), определите сопротивление квадрата R• слоя, применённого для исполнения резистора;

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

–снимите копию электрической схемы для отчёта (или исполните для базисного логического элемента), по форме элементов и сопротивлению квадрата определите сопротивления резисторов и представьте их либо в виде обозначений на схеме, либо в виде таблицы;

–полагая удельную плотность тока эмиттера равной Io = 4 A/мм2, определите номинальный рабочий ток Iрк, выделенных топологий транзисторов;

–полагая коэффициент передачи транзисторов В равным В = 60 оцените сопротивление квадрата базового слоя под эмиттером структуры кристалла;

–полагая вносимую одним контактом для резистора заданного номинала погрешность сопротивления равной 2%, оцените значение удельного сопротивления контакта Ro (Ом·мм2);

–определите факт наличия маркировки кристалла, способа, места и размеров зоны её размещения.

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

1)R• = R(B/L – 0,5 ·Nизг), где сопротивление R, ширина B, длина L по средней линии топологии и Nизг есть число уголковых изгибов выбранного резистора кристалла;

2)Iрк ≤ Io·Lэ·Bэ, где Lэ, Bэ – есть длина и ширина эмиттера;

3)R•б огр ≤ 0,2 ·φт·B/ (Io· L2э);

4)Rо = 0,02·R· Sк, где Sк – есть площадь контакта;

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

6)dл = Вmin/20, dc = [(Вп.min – Вmin)/2] – d л, где Вп.min, Вmin – есть мини-

мальные значения ширины перекрывающего контакта и ширины перекры-

той резистивной полосы.

1.Кз = Sa /Sp, где Sa, Sp – есть площади выделенная под размещение логического элемента Sа и занятая радиоэлементами Sр.

2.6.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 при-

16

менить микроскоп, то следует для этого согласовать возможность применения с руководителем занятия.

2.7. Содержание отчета

Отчет по работе (форма титульного листа представлена в прил. А1 работы №1) оформляется на подгруппу (1–2) исполнителей и должен содержать:

–наименование, цель работы;

–задание на работу;

–краткую характеристику состава применённого лабораторного оборудования;

–результаты работы:

а) электрическую схему ПИМС или базисного логического элемента (с обозначением радиоэлементов и оцененных номинальных параметров резисторов);

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

в) фотографию кристалла ПИМС (с указанием объектов и сведений о них по п. 5.2);

г) оценочные расчёты, эскизы топологии и структур радиоэлементов с обозначением размерных цепей дополняющие фотографию кристалла;

д) заключение по результатам работы с комментарием степени интеграции, плотностей плоскостной и объемной компоновки (эл/мм2, эл/мм3) и коэффициента заполнения активной зоны кристалла Кза или зоны отведённой на размещение базисного логического элемента.

2.8. Вопросы для самоконтроля

2.8.1.По какому критерию изделия относятся к категории сборочной единицы? Назовите сборочный состав исследуемой ПИМС.

2.8.2.К какой категории изделий относится кристалл исследуемой

ПИМС?

2.8.3.Какое назначение имеют, так называемые, ключи на микросхеме, на кристалле? Какие формы, способы исполнения ключей приняты в исследуемой микросхеме?

2.8.4.Какие монтажные и электромонтажные способы применены в производстве исследуемой ИМС?

2.8.5.Как оценить технологические размерные допуски принятые в производстве исследуемой ИМС?

2.8.6.Одинаковы ли структуры контактных переходов внешних подключений кристалла? Если нет, то чем это различие объяснить?

2.8.7.Какие размеры и формы контактных областей резисторов применены в исследуемом логическом элементе? Если формы различны, то поясните причину различия?

17

2.8.8.Для чего на корпусе и на кристаллах должны размещаться маркировочные знаки? Имеются ли эти знаки на кристалле исследуемой ИМС? Способ исполнения маркировки?

2.8.9.Как определить сопротивление квадрата резистивного слоя исследуемой микросхемы? Какой слой применён в качестве резистивного в исследуемом кристалле? Какие конструктивные меры следует применять для обеспечения удобства контроля названного параметра?

2.8.10.Можно ли при эксплуатации ИМС увеличивать рабочие токи выходных транзисторов исследуемой ИМС в сравнении с номинальными значениями? Какие ограничения следует учитывать?

Приложение А2

Каталог ПИМС

Эскизы принципиальных электрических схем, фотографии плат и сборочных единиц гибридных микросхем по вариантам размещены в отдельной папке кафедральной сети, путь доступа: Cesir/AOS/tla/УМК ПИМСиМП/ УчебноМетодПособ/ ЛабЦикл/ПриложенияЛабРаб_2/Приложение А2/КаталогПИМС

18

Лабораторная работа №3

РАСЧЕТ И ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗМЕРНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ

ВКОНСТРУКЦИЯХ БПТ

3.1.Цель работы

Освоить методику проектирования топологии биполярного транзистора (БПТ) по заданным параметрам и исследовать зависимость размеров, усиления, постоянных времени от рабочего тока и ключевых свойств.

3.2. Общие сведения

Конструкциям БПТ п/п ИМС свойственны следующие отличительные признаки, обуславливающие определенную специфику их проектирования:

–выводы от слоев структуры транзисторов микросхем находятся на поверхности кристалла;

–транзистор размещается в изолированном «кармане», отделенном от других элементов ИМС, как правило, p–n -переходом.

Первый отличительный признак накладывает ограничения на размещение выводов от слоев структуры БПТ, а другой обязывает выбирать такие решения, которые позволяли бы обеспечить требуемые свойства транзистора.

Размещение транзистора в «кармане» с изоляцией обуславливает появление дополнительной емкости коллектора БПТ на несущее основание (Скр), приводящей к снижению быстродействия, ведет к расходу части площади основания на разделительные зоны между элементами. Указанные отличительные признаки должны приниматься во внимание при выборе формы и расчете размеров БПТ.

Конструирование и расчет БПТ производится по следующим исходным данным:

–рабочий ток – I p [ мА];

–допустимое сопротивление между коллектором и эмиттером в насыщенном состоянии – R ке [ Ом];

–коэффициент передачи тока базы структуры (без учета влияния топологии) – В1;

–время переключения БПТ – Тр [сек];

–каталог топологических конфигураций БПТ;

–удельные переходные сопротивления контактов к эмиттеру, базе,

коллектору (Rое, Rоb, Roc);

– сопротивления квадратов слоев БПТ (Rkb1, Rkb2, Rkc1, Rkc2), где индекс 2 соответствует слоям, ограниченным p–n -переходами с двух сторон (свер-

ху и снизу);

–плотность тока в эмиттере – I o [А/см2];

–ширина p–n -перехода Woij при нулевом внешнем напряжении на p-n переходах эмиттер– база, коллектор– база, коллектор– основание, разделительная область– коллектор БПТ (eb, cb, cp, cr), см;

19

–напряжения Uij на p–n -переходах (eb, cb, cp, cr) в типовом режиме применения, В;

–диффузионная длина неосновных носителей в базе – L nb, cм;

–вариант структуры БПТ (эпитаксиальный коллекторный слой (ЭПСК), эпитаксиальный слой базы (ЭПСБ));

–сопротивление квадрата проводника соединений – R p, Ом;

–толщины слоев структуры по металлургическим границам (Xe, Xc, Xp, Xr);

–технологические погрешности линейных размеров топологических

фрагментов (dл) и совмещения фрагментов (dс) – [cм];

–контактная разность потенциалов p–n -переходов (Feb, Fcb, Fcp, Fcr);

–глубина проникновения электрического поля в п/п слой dP [см].

Из перечня исходных данных в расчетах и исследовании зависимостей в качестве изменяемых приняты параметры Iр, Rke. Определяемыми являются параметры коэффициент передачи тока база с учётом влияния топологии В, Тр, линейные габаритные размеры и габаритная площадь. Остальные исходные значения параметров перечня задаются в разных сочетаниях, образуя варианты заданий.

3.3. Задание на работу

3.3.1.По заданному варианту представить эскизы структуры, топологии БПТ, выполнить расчет размеров и определяемых параметров В, Тр, Rke.

3.3.2.Выполнить расчеты и корректировкy топологии БПТ для двух

дополнительных значений тока Iр (Ipi =2 Ip; 4 Ip) или межэлектродного со-

противления Rke (Rkei =2 Rke; 4 Rke)

3.3.3. Представить зависимости В = В(Ip), Сс = Сс(Ip), Lc = Lc (Ip),

Вc = Вc (Ip), Sc = Sc (Ip), Rke = Rke(Ip) (или от межэлектродного сопротивления Rke и зависимость Ip = Ip(Rke) в случае выбора по заданному значению Rke),

где Lc, Вc – линейные габаритные размеры коллекторной зоны БПТ; Sс – габаритная площадь коллектора БПТ (с учетом половины зоны раздела смежных карманов других элементов); Сс – ёмкость коллектора на подложку;

В– коэффициент усиления транзистора.

3.3.4.Объяснить полученные результаты.

3.4. Технические средства исполнения работы

Работа исполняется либо в среде тестирующей программы «ИсследБпт», а при невозможности, применением материалов приложения А3 с применением средств доступного диалогового пакета выполнения расчётов и подготовки текстовых и графических документов.

3.5. Варианты индивидуальных заданий

Варианты заданий представлены в табл. 3.1 в расчете на 24 исполнителя. Исходные данные по параметрам Iр, Rke, помещенные в таблицу, рассматриваются, как начальные. Параметры, не вошедшие в таблицу, являются едиными для всех вариантов. Их значения принимаются. Приводимые значения соответствуют приведенному ранее перечню переменных:

20

–В1 = 200;

–варианты конфигурации БПТ образуются из сочетаний: 1e1b1c (один эмиттер– одна база– один коллектор), 1e2b1c (с двумя базовыми электродами), 2e1b1c (с двумя эмиттерами).

–R oe=Rok=Rоb=400 [Ом мкм2];

–0.1, 0.2, 0.3, 0.3 [ мкм];

–0.5, 4, 5, 5 [ В];

–20 [ мкм];

–0.1 [ Ом];

–0.2, 0.4 [ мкм];

–0.7, 0.7, 0.7, 0.7 [ В];

–0.1 [ мкм].

Номер варианта состоит из двух позиций. Первая позиция соответствует номеру строки исходных данных к проектированию, а вторая позиция указывает форму топологии.

Знак «?» в табл. 3.1 обозначает подчинённое значение параметра, сопутствующее удовлетворению требований по явно заданному параметру,