Методички / 45-61

- 45 -

где /„ - длина прямолинейных участков; п - число звеньев меандра; Я_и - сопротивление изгибов; т.- число изгибов.

Дня изгибов под прямым углом (рис. 10,а) й_а =!_>55р_а , для П-об-разного изгиба (рис.10,6) К_и ^=!/р_п . Отсюда длина прямолинейного участка одного звена меандра

(26)

После этого корректируют размеры I и 3 с целью обеспечения заданного номинала резистора.

Квадратная или близкая к ней форма резистора типа меандр часто оказывается неудобной при компоновке пленочных элементов на подложке, например, из-за отличной от квадрата площади, отво­димой под резистор. Тогда, зная габаритную площадь меандра $-18 и задаваясь одним из его размеров (например в'),определя­ют второй размер !* и число звеньев меандра л':

Расчет тонкопленочных конденсаторов

Все характеристики тонкопленочных конденсаторов: емкость, рабочее напряжение, температурный коэффициент емкости, частотные свойства и размеры зависят от выбранных материалов, параметры которых рассмотрены в разделе 2.

Элсооть тонкопленочных конденсаторов определяется площадью перекрытия его обкладок (активной площадью или площадью верхней обкладки). На рис.II приведена конструкция конденсатора с пло­щадью верхней обкладки более 5 мм^. Так как верхние обкладки форжруют масочным методом, то для устранения погрешности совме­щения маски в месте вывода верхней обкладки с противоположной стороны от вывода делают компенсатор. При значительной площада верхней обкладки эта погрешность мала и компенсатор не применяют. При активной площади пленочного конденсатора менее 5 иг/' начинает сказываться краевой эффект, причем тем сильнее, чем меньше пло­щадь. При активной площади от I до 5 мм~ обкладки конденсатора

- 46 -

Рис.II. Конструкция тонкоиле- Рис.12. Конструкция конденсатора ночного конденсатора с площадью с расчетной площадью от I до 5 т^г. зерхней обкладки более 5 мм'.

Рис.13. Конструкция конденсатора Рис.14. Конструкция конденсатора

с расчетной площадью менее I мм^г малой емкости с использованием

в виде двух последовательно подложки в качестве диэлектрика, соединенных конденсаторов.

Рис.15. Конструкция гребенчатого Рис.16. Конструкция конденсатора конденсатора. с двухсторонним (а) и односто­ронним (б) расположением выво­дов верхней и нинней обкладок.

можно выполнять в виде двух взаимно пересекающихся полосок (рис.12). Если расчетная площадь меньше 1 мм^, конденсатор можно выполнять в виде последовательно соединенных конденсаторов (рис.13), или использовать в качестве диэлектрика подложку (рис.14), которая должна быть пригодна для напшгения с обеих сторон. Можно также конструировать гребенчатый конденсатор (рис.15). Емкость такого конденсатора почти целиком определяет­ся емкостью, обусловленной краевым эффектом.

Потери в обкладках зависят от расположения выводов 'нижней и верхней обкладки по отношении друг к другу. На рис.16 приведе­ны конструкции конденсаторов с односторонним и двухсторонним рас­положением выводов. Предпочтительнее второй вариант, так как ем­кость конденсатора с ростом частоты выше 10 МГц падает вдвое мед­леннее при двухстороннем (рисЛб.а) расположении выводов, чем при одностороннем (рис.16,6).

Минимальная толщина диэлектрического слоя ограничивается требованием получения сплошной пленки с заданной электрической прочностью, а максимальная - возможностями тонкопленочной техно­логии. Толщину диэлектрика определяют по формуле:

(2?)

где К, - коэффициент запаса электрической прочности (для пленоч­ных конденсаторов К^ = 2 - 3); Е„_р - электрическая прочность ма­териала диэлектрика, 3/мм; Цра1- рабочее напряжение, В.

Сушарная относительная погрешность изготовления конден­сатора

(28)

где Т„ - относительная погрешность удельной емкости, которая характеризует воспроизводимость -удельной емкости в условиях данного производства (зависит от материала и погрешности толдк-ны диэлектрика и составляет 3 - 5 %); ^ - относительная погреш­ность активной площади пленочного конденсатора (зависит от точ­ности геометрических размеров, формы и площади верхних обкладок конденсатора); /_г - относительная температурная погрешность (зависит от ТКС материала диэлектрика); г - относительная по-

грешность, обусловленная старением пленок конденсатора (зависит от материала и метода защиты и обычно не превышает 2 - 3 %). Температурную погрешность определяют по формуле:

(29) где а_с - ТКС материала диэлектрика по табл. 5.

Относительная погрешность активной площади конденсатора

(30)

где йЗ, Ы,цВ - соответственно погрешности площади, длины и ширины верхней обкладки конденсатора.

Относительная погрешность активной площади конденсатора (площади перекрытия обкладок) минимальна, если обкладки имеют форму квадрата. Отклонение контура верхней обкладки от квадрата сопровождается увеличением г .

Для учета формы обкладок используют коэффициент формы обкла­док Кф\

(31)

Тогда относительную погрешность активной площади конденса­тора при &1=йВ можно определить по формуле:

(32)

Для обеспечения заданной точности емкости при изготовлении конденсатора необходимо, чтобы выполнялось следующее условие:

(33) где х - максимально допустимая относительная погрешность

- 2 до"

активной площади, которая может быть определена как

(34)

Из выражения (33) следует, что при выбранном из то­пологических соображений значении коэффициента форглы площадь верхней обкладки определяется по формуле:

(35)

Если равенство выполняется, то получаем выражение для удель­ной емкости жз условня точности:

(36)

Для обкладок квадратной формы вышеприведенные выражения упрощаются:

(37) (38)

(39)

Порядок расчета

1. Выбирают материал диэлектрика по рабочему напряжению в соответствии с данными, приведенными в табл.5. Для того чтобы конденсатор занимал минимальную площадь, нужно выбира~ь материал с возможно высокими значениями <; и [_п/> ж малыми значениями ТКС

и г&8 . Приведенное в табл. 5 значение удельной емкости С_о соот­ветствует определенной толщине диэлектрика без учета точности изготовления конденсатора.

2. Определяют минимальную толщину диэлектрика из условия элек­ трической прочности по (27). Эта величина должна быть в пределах от 0,1 до I мкм, в противном случае, нужно выбрать другой материал диэлектрика. При толщине менее 0,1 мкм в диэлектрике возможны по­ ры, что приведет к короткому замыканию обкладок. При толщине плен­ ки диэлектрика более I мкм может быть разрыв верхней обкладки в месте вывода из-за большой ступеньки по толщине пленкж. Оптималь­ ная толщина диэлектрика 0,3 - 0,5 мкм.

3. Определяют удельную емкость конденсатора, исходя из элек­ трической прочности,

(40)

где (1 - дано в сантиметрах.

4. Оценивают по (29) относительную температурную погрешность

5. Определяют по (34) допустимую погрешность активной площа­ ди конденсатора; если ^ ^ 0 , то это означает, что изготовле­ ние конденсатора с заданной точностью невозможно, нужно выбрать другой материал диэлектрика с меньшей температурной погрешностью. Уменьшить погрешность старения можно за счет дополнительной за­ щиты микросхемы от влаги.

6. Определяют удельную емкость конденсатора С„ с учетом точ­ ности его изготовления по формуле (36), для обкладок квадратной формы по (39); &1 находят по табл.10 для масочного метода.

7. Выбирают минимальное значение удельной емкости конденса­ тора, учитывая электрическую прочность, и точность изготовления:

(41)

(Заметим, что приведенные в табл. 5 значения удельной дикости соответствуют определенной толщине диэлектрика без учета точности изготовления конденсатора.)

8. Определяют коэффициент, учитывающий краевой эффект:

(42)

9. Определяют площадь верхней обкладки:

(43)

Если площадь перекрытия обкладок меньсе I ыг~ , необходгс'О взять другой диэлектрик с меньшим значением 6 , или увеличить

толщину диэлектрика г/ в возможных пределах, или конструировать конденсатор специальной формы (еж. рис. 13 - 15).

Если площадь перекрытия обкладок слишком велика, нужно взять другой диэлектрик с большим значением е , либо уменьшить толщину диэлектрика а! в возможных пределах, либо использовать навесной конденсатор, удовлетворяющий исходным данным.

10. Определяют размеры верхней обкладки конденсатора. Дня обкладок квадратной формы ( к^ - I):

(44)

Размеры I ъ В округляют до значения, кратного шагу координатной сетки топологического чертежа с учетом масштаба.

11. Определяют размеры нижней обкладки конденсатора с учетом допуска на перекрытие:

(45)

где ^ - размер перекрытия нижней и верхней обкладок конденсатора (см.табл.10).

12. Вычисляют размеры диэлектрика:

(46)

где/ - размер перекрытия нижней обкладки и диэлектрика (см.табл.10) По танталовой технологии диэлектрик получают анодированием тантала, поэтому величина /= 0.

13. Определяет площадь, занимаемую конденсатором,

(47)

Сначала проектируют обкладки конденсатора квадратной формы, а при отсутствии места на топологическом чертеже для расположе­ния квадрата задаются одной из сторон конденсатора, коэффициен-то;л формы обкладок я вычисляют размеры обкладок прямоугольной формы.

Топология микросхемы должна обеспечивать возможность провер­ки емкости л&дцого конденсатора в процессе или после ее изготов­ления. Если конденсатор шунтируется резистором и при этом полное сопротивление параллельного соединения замерить невозможно, то при проектировании топологии рекомендуется указанные элементы выполнять незашуктироЕанными. В этом случае окончательное соедл-

нение производится навесным проводником после осуществления необходимых измерений.

14. Производят проверку расчета. Конденсатор спроектирован правильно, если удовлетворяются следующие условия:

1) тангенс угла диэлектрических потерь не превышает допусти­ мое значение

(48)

Если пренебречь сопротивлением выводов обкладок, то тангенс угла диэлектрических потерь можно представить в виде суммы по­терь в диэлектрике {$&„ ив обкладках ^4*? ^:

(49)

Значение ^5,- определяют по табл.5 дал выбранного материа­ла диэлектрика.

Тангенс утла потерь в обкладках находят по формуле:

(50)

где Ч₀1 - сопротивление обкладок конденсатора, Ом; С - емкость конденсатора, Ф; ш - угловая частота; и> = 2л/_тах ( $_тах ~ макси­мальная рабочая частота, Гц);

Сопротивление обкладок Х^ конденсатора зависит от его формы

(51)

где р - удельное поверхностное сопротивление материала обкла­док (определяют по табл.5);

2) рабочая напряженность электрического поля е' $ не пре­ вышает Е материала диэлектрика:

(52)

где

(53)

(54)

где Со - удельная емкость, пФ/ом ;

3) погрешность изготовления не превышает заданную:

С55) где ^ определяют по (32); д^ - по (34).

Если данные проверки не выполняются, необходимо выбрать дру­гой материал диэлектрика или изменить конструкцию конденсатора.

Если в схеме имеется несколько конденсаторов, то для изготов­ления их в едином технологическом цикле целесообразно выбирать для всех конденсаторов один и тот же диэлектрик одной толщины, а следовательно, одинаковой удельной емкости С_о . В противном случае, для напыления диэлектрика конденсаторов понадобятся раз­личные маски, а возможно и установки, что значительно усложнит технологический процесс.

Дня нескольких конденсаторов, расположенных на одной подлож­ке, расчет начинают с конденсатора, имеющего наименьший номинал емкости. После выбора материала и вычислений по формулам (27), (34), (36), (39) и (40) определяют значение удельной емкости С_в , при которой конденсатор будет занимать минимальную пло­щадь на подложке .'

(56Т Окончательно С_д выбирают по формуле:

(57)

Вычисляют толщину диэлектрика го (54), соответствующую удель­ной емкости С. . Если толщина диэлектрика не выходит за пределы возможностей тонкопленочной технологии, то продолжают дальнейший расчет, в противном случае, выбирают другой материал.

Конструирование прецизионных тонкопленочных резисторов и конденсаторов

В тех случаях, когда точность изготовления тонкопленочных ре­зисторов и конденсаторов превышает технологические возможности производства, используют подгонку. Подгонка может быть плавной и ступенчатой. Плавная подгонка обеспечивает точность до сотых долей процента, ступенчатая - до единиц процентов.

Плавную подгонку резисторов проводят, изменяя удельное сопротивление квадрата резистивной пленки или форму резистора. В первом случае используют высокотемпературный отжиг, во втором -выжигают часть резистивной пленки электронным, чаще лазерным лучом.

Если отжиг позволяет изменить сопротивление резистора в обе стороны, то подгонка выжиганием резистивной пленки приводит к увеличению сопротивления. На рис.17 показаны конструкции плавно подгоняемых резисторов. Для удобства подгонки обычно

Рис. 17. Конструкция подгоночных резисторов: (_Ои> ^подг - длина

основного и подгоняемого участка: I - участок точной подгонки;

2 - участок грубой подгонки.

резистор имеет основную часть и часть, подлежащую подгонке.. Возможна и более простая конфигурация резистора в форме полоски, но при этом минимальная ширина резистора в зоне подгонки выбира­ется такой, чтобы не было перегрева резистора после подгонки.

Плавную подгонку конденсаторов проводят выжиганием части верхней обкладки, при этом емкость конденсатора уменьшается. По­скольку плавная подгонка требует специального оборудования, то ее используют до установки навесных компонентов.

Ступенчатую подгонку (подстройку) резисторов и конденсато­ров можно проводить и после установки навесных компонентов.

Рис.18. Конструкция подстраиваемых резисторов (а,б) и кон­денсаторов (в,г): а,в - сваркой;б,г - перерезкой: I - участки для перерезки; 2 - участки для сварки.

На рис.18 приведены конструкции подстраиваемых резисторов и кон­денсаторов с использованием сварки (а,в) и перерезки перемычек (б,г).

Разработка топологии тонкопленочных 1ИМ0

Разработку топологии рекомендуется проводить в следующей последовательности: составление схемы соединения элементов на плате; расчет конструкций пленочных элементов; определение необ­ходимой площади платы и согласование с типоразмером корпуса, выбранного для ВШС; разработка эскиза топологии; оценка качест­ва разработанной топологии и при необходимости ее корректировка.

Дня составления схемы соединений на принципиальной электри­ческой схеме выделяют пленочные элементы и навесные компоненты, намечают порядок их расположения и проводят упрощение схемы соедине­ний с целью уменьшения числа пересечений проводников и сокраще­ния их длины.

Разработку топологии начинают с выбора материалов и расчета геометрических размеров пленочных элементов. Затем приступают к определению необходимой площади подложки. Из технологических соображений элементы микросхемы располагают на некотором рассто­янии от края подложки. Промежутки между элементами определяются технологическими ограничениями (см.табл.10) и условиями тепло-отвода.

Ориентировочную площадь платы определяют по формуле:

(58)

где К - коэффициент запаса по площади, который определяется ко­личеством элементов в схеме, их типом и сложностью связей между ними (для ориентировочных расчетов можно принимать К = 2 - 3); ^ти> *^гг' ^?.кгГ ^плоп'^ади' занимаемые всеми резисторами, конден­саторами, контактными площадками; А_х - суммарная площадь навесных компонентов, которые не могут' быть расположены над пленочными элементами и занимают площадь на подложке.

По вычисленной ориентировочной площади платы выбирают ее необходимый типоразмер согласно табл.3. Одновременно опреде­ляют способ герметизации 1ИМ0 и в случае использования корпусов -типоразмер корпуса. Рекомендуемые размеры плат (мм): 30x48, ЗСх24, 20x16, 15x16, 10x16, 10x12 и т.д.

Далее разрабатывают эскиз топологии. На этом этапе решают задачу оптимального размещения на плате пленочных элементов, на-

веcных компонентов межсоединений между шгаш, а также между внеш­ними контактными площадками и выводами корпуса.

Для разработки эскизных топологических чертежей необходимо знать: схему электрическую принципиальную и схему соединения элементов; форму и геометрические размеры пленочных элементов и навесных компонентов: размеры и материал подложки; предвари­тельно выбранный метод герметизации, вид и размеры корпуса или метод установки маты в блоке при групповой герметизации; воз­можности производственной базы, предназначенной для изготовления разрабатываемой 1ИМС.

Начальный этап разработки топологии состоит в изготовлении эскизных чертежей, выполненных на миллиметровой бумаге в масшта­бе 10:1 или 20:1. Масштаб выбирают исходя из удобства работы, наглядности и точности. Эскизный чертеж варианта топологии ГИЫС выполняют для всех слоев.

Навесные компоненты изображают с соблюдением порядка распо­ложения выводов. Грани навесных компонентов располагаются вдоль осей координатной сетки. Если используются навесные компоненты с жесткими выводами, то в чертеже топологии они заменяются контакт­ными площадками. Если выводы навесных компонентов гибкие, то предварительная их замена контактными площадками не обязательна.

Одновременно с размещением проводят линии электрической свя­зи (проводники). Для экономии времени на начальной стадии провод­ники изображают одной линией по оси проводника. Расстояние между параллельными линиями, изображающими проводники, выбирают с уче­том ширины проводников и расстояния между ними. Линии проводят параллельно осям координат. При вычерчивании необходимо следить за тем, чтобы пленочные проводники отличались от проволочных (выводов навесных компонентов, навесных Перемычек), места соеди­нения их обозначают контактными площадками. Следует избегать пе­ресечения с начерченными ранее проводниками. После того, как вы­полнена коммутационная схема и обеспечена минимальная длина про­водников, а также минимальное число пересечений, проводники изоб­ражают двумя линиями.

Элементы 1ИЫС, принадлежащие разным слоям, в первом эскизе рекомендуется изображать разными цветами.

При создании чертежа топологии необходимо обращать внимание на использование наиболее простых форм элементов, равномерность размещения элементов на плате, обеспечение удобств при выполне-

- 58 -

нии сборочных операций, увеличение размеров контактных площадок, расширение допусков на совмещение слоев и т.д.

При вычерчивании элементов следует экономно использовать площадь, что достигается выбором соответствующей конфигурации (если это допускается) размещаемых пленочных элементов.

При разработке топологии необходимо обеспечить возможность измерения электрических параметров пленочных элементов (резис­торов, конденсаторов и т.д.). Если структура электрической схе­мы не позволяет этого сделать (например, параллельное соедине­ние конденсатора и резистора), методика проверки таких узлов и требования к топологии, связанные с этой проверкой, должны быть определены до начала разработки топологии.

При разработке топологии необходимо обеспечить возможность выполнения требовании к монтажу применяемых навесных компонен­тов, а также требования к сборке и защите микросхемы.

В первом варианте топологии обычно не удается получить прием­лемую конфигурацию слоев. Работа над следующими вариантами тополо­гии сводится к устранению недостатков первого варианта для того, чтобы чертеж соответствовал всем технологическим требованиям и ограничениям, изложенным в табл.10.

При масочном методе изготовления после окончательного разме­щения элементов рекомендуется провести раскраску слоев в раз­личные цвета, чтобы оценить возможность изготовления масок. Мас­ки не должны содержать провисающих участков. В случае сложной конфигурации маски производят распределение проводников на два слоя или часть проводников переносят в слой нижних обкладок кон­денсаторов, если это не нарушает жесткости маски нижних обкладок.

После того, как окончательно выбран вариант топологии, при­ступают к изготовлению чертежей слоев микросхемы по элементам (резисторы, проводники и контактные площадки, нижние обкладки конденсаторов, диэлектрики и т.д.). Эти чертежи - основа для изготовления комплекта фотошаблонов и масок.

Способ и последовательность работы по размещению и выбору формы пленочных элементов могут быть различными - это во многом определяется опытом разработчика и носит индивидуальный характер. Для нахождения оптимального варианта размещения элемен­тов на подложке в настоящее время используют методы проектирова­ния топологии с помощью ЭВМ.

-59-Оценка качества разработки топологии 1ММС

Разработанная топология должна соответствовать принципиальна!! электрической схеме, удовлетворять всем предъявленным конструк­тивным требованиям; должна быть составлена таким образом, чтобы для изготовления микросхемы требовалась наиболее простая и деше­вая технология; должна обеспечивать заданный тепловой режим и воз­можность проверки элементов в процессе изготовления. Емкостные и ■индуктивные связи не должны нарушать нормальную работу схемы при заданных условиях эксплуатации.

При оценке правильности разработки топологии ПШС принимают следующий порядок. Проверяют соответствие:

принципиальной электрической схеме;

внешних контактных площадок выводам корпуса;

требованиям, изложенным в табл.10, значений минимальных рас­стояний между элементами, принадлежащими одному слою и разным слоям; элементами и краем подложки; соседними контактными площад­ками;

минимальных значений ширины и длины пленочных элементов для данной технологии;

ограничениям размеров контактных площадок для присоединения дискретных компонентов, проводников, шин питания и внешней ком­мутации;

величины перекрытия нижней обкладки за края верхней обкладки и диэлектрика за края нижней обкладки конденсаторов;

расчетных значений ширины и длины резисторов заданной вели­чине их сопротивления и требуемой мощности рассеивания;

Кроме того, проверяют наличие в схеме пересечений пленочных проводников и защиту лх слоем диэлектрика; обеспечение возможнос­ти контроля элементов и нормального функционирования микросхемы при заданных внешних климатических воздействиях.

В случае необходимости проводится оценка величины паразит­ных емкостных и индуктивных связей, а также тепловой расчет.

Пример разработки топологии тонкопленочной 1ИМС

Разработать конструкцию и топологию схемы смесителя-гетеродИ' на. Составить схему технологического процесса изготовления в ус­ловиях серийного производства.

Исходные данные:

I. Электрическая принципиальная схема и функциональна? схе­ма (рис.19).

Рис.19. Электрическая принципиальная и функциональная схема смесителя-гетеродина.

2. Техническое задание, в котором приведены электрические па­ раметры схемы и навесннх активных компонентов. Нумерация выво­ дов указана на принципиальной электрической схеме.

3. Условия эксплуатации: интервал температур Г=-60 4- +85 °С.

4. Электрические параметры схемы: