2. Топология толстопленочной гис

2.1. Толстопленочные резисторы

Толстопленочные резисторы должны иметь прямоугольную форму и поэтому выполняются в виде "полосок" резистивного материала, нанесенных на подложку и замыкающихся на контактные площадки с высокой проводимостью (рис. 8). Рекомендуется использовать резис­торы с коэффициентом формы равным от 0,2 до 5...6. Конструктивный расчет толстопленочного резистора заключается в определении геометрических размеров и площади, занимаемой резистором на подложке.

Рис. 8. Толстопленочный резистор

Исходные даны е для расчета:

• номиналы резисторов Ri , Ом;

• мощности рассеяния Pi , Вт;

- технологические ограничения (табл. 3);

- допустимые отклонения сопротивления резисторов от номи­нала Ri , %.

1) Оптимальное сопротивление квадрата резистивной пленки определяют для групп резисторов с близкими номиналами, объединив резисторы не более чем в три группы. По табл. 10 выбирают материал резистивной пленки, исходя из того, чтобы коэффициент формы резисторов находился в пределах 0,2…6;

Кфi = Ri / s

2) Ширина резистора выбирается из условия:

bрасч  MAX{bтехн; bp}

bтехн - минимальная ширина резистора, определяемая возможностями технологического процесса, bтехн = 0,8 мм (табл. 3);

bp - минимальная ширина резистора, при которой обеспечивается заданная мощность рассеяния P,

bp =

где - удельная мощность рассеяния материала резистивной пленки:

Кр - коэффициент запаса мощности, учитывающий подгонку резис­тора

lcp 

Таблица 10

Удельное поверхностное сопротивление паст резистивных (ПР)

	Обозначение посты
	ПР-5	ПР-100	ПР-500	ПР-1к	ПР-3к	ПР-6к	ПР-20к	ПР-50к	ПР-100к
Удельное по­верхностное сопротивле­ние s, Ом/	5	100	500	1000	3000	6000	20000	50000	100000
Удельная мощность рассеяния мВт/мм²	80	80	70	70	50	50	40	40	30

3) Длина резистора с учетом растекания пасты

lрас = bKф

Для резисторов, имеющих Kф<1, расчет начинают с определения длины

lрасч = max{ lтехн, lр }

где lтехн = 0,8 мм (см. табл. 3, 11); b = lрасч / Kф

4) Полная длина резистора с учетом перекрытия контактных площадок

l = lрасч +2e

где e – минимальный размер перекрытия слоев (см. табл. 3).

5) Площадь, занимаемая резистором на подложке:

S = lb

2.2 Толстопленочные конденсаторы.

Конструктивный расчет толстопленочного конденсатора заклю­чается в определении его формы, геометрических размеров и площа­ди, занимаемой конденсатором на подложке. Обычно толстопленочные конденсаторы выполняются в виде трехслойной структуры (см. рис. 7а).

Исходные данные для расчета:

- емкости конденсаторов C1, C2, … Cn, пФ ;

- рабочие напряжения Uраб;

- относительная погрешность изготовления конденсаторов C,;

- технологические ограничения (табл. 3, 11).

Таблица 11

Основные параметры пассивных элементов толстопленочных ГИС

Параметры	Элементы
	Резисторы	Конденсаторы	Межслойная изоляция
Толщина пленки, мкм	I5...20	40...60	30...70
Минимальные размеры l х b	0,8х0,8	(диэлектрик)
Диапазон номиналов	250м 1 МОм	50...2500 пФ
Допустимое отклонение от	2	± 15
номинала, %
Температурный коэффициент сопротивления TKR	 8*10-4
Максимальная допустимая	30.. .80
удельная мощность рассе­яния мВт/мм²
Температурный коэффициент емкости TKE	-	±3,5*10-4	± 3*10-4
Напряжение пробоя, В	-	150	500

1) Материал диэлектрика с соответствующим значением ем­кости С0 (табл. 12) выбрать, исходя из диапазона номинальных значений емкостей конденсаторов, с учетом технологических огра­ничений Smin  1 мм² и размеров площади подложки.

2) Площадь верхней обкладки конденсатора

S = С/C0

Полученная площадь должна удовлетворять технологическим ограничениям S>Smin (табл. 3, 11).

3) Геометрические размеры верхней обкладки конденсатора. Если предположить, что форма конденсатора - квадрат, то

Lo = Bo =

4) Геометрические размеры нижней обкладки конденсатора

Lн = Bн = L0 + 2е

где е - перекрытие между нижней и верхней обкладками (табл. 3).

5) Геометрические размеры диэлектрика

LД = BД = Lн + 2е

где е – перекрытие между нижней обкладкой к диэлектриков (табл. 3),

6) Площадь, занимаемая конденсатором не плате

Sс = LД BД

Таблица 12.

Характеристики паст для диэлектрика конденсаторов ( ПК ) и межслойного диэлектрика ( ДД )

Обозначение пасты	Толщина пленки, мкм	Удельная емкость Со	tg*10-3 На частоте 1,5 МГц	Область применения
ПК 1000-30	40.. .60	3700	3,5	Для диэлектрика конденсато­ров, изоляции пересекающихся проводников
ПК 12.	40...60	10000	3,5	Для диэлектрика конденсаторов
ПД-1	60 ...70	160	2	Для межслойной изоляции при
				двух уровнях пленочных элементов­
ПД-2	50..60	220	3	Для межслойной изоляции при
				трех (и более) уровнях пленочных элементов­
ПД-3	30...50		2	Для верхнего защитного сдоя
				при использовании пасты ПД-1
ПД-4	30... 50		3	Для верхнего защитного сдач при использовании пасты ПЦ-2

Материал обкладок конденсаторов выбирается из табл.13.

2.3. Проводники и контактные площадки

Пасты для проводников и контактных площадок выбирают по табл. 13. Минимальная ширина толстопленочных проводников и геометрические размеры контактных площадок ограничиваются методом изго­товления и представлены в табл. 3, а максимальные - габаритами ГИС, удобством размещения этих элементов на плате и монтажа на­весных компонентов на контактных площадках. При конструировании толстопленочной ГИС контактные площадки под выводы схемы выбрать в пределах (0,7 х 0,7)...(1х1) мм.

В местах пересечения проводники разделяются слоем диэлект­рика с малыми значениями удельной емкости С0 (табл. 12).

Таблица 13. Характеристики проводящих паст (ПП).

Обозначение	Толщина слоя, мкм	s,Ом/, не более	Область применения
ПП-1	I0...20	0,05	Для изготовления проводников,
			нижних обкладок конденсаторов и
			контактных площадок первого слоя
			с размерами сторон элементов не
			менее 0,2 мм
ПП-2	I5...20	5,0	Для изготовления верхних обкладок
			конденсаторов, не смачиваемых
			припоем при лужении
ПП-3	15...25	0,05	Для изготовления проводников,
			нижних обкладок конденсаторов и
			контактных площадок под монтаж
			навесных компонентов с жесткими
			выводами
ПП-4	I5...25	0,05	Для изготовления проводящих ­
			элементов, наносимых на слой ­
			диэлектрика

2.4. Площадь подложки

После расчета пассивных элементов подсчитывается общая площадь подложки:

Sобщ = K(SR +Sc +SK +Sнк)

Где К - коэффициент запаса по площади, определяемый количеством элементов в схеме, их типом и сложностью связи между ними; для ориентировочных расчетов можно принять К = 2...3;

SR +Sc +SK – площади, занимаемые всеми резисторами, кон­денсаторами, контактными площадками;

Sнк - суммарная площадь навесных компонентов, занимающих площадь на плате.

Для определения числа контактных площадок целесообразно на основе заданной принципиальной схемы составить коммутационную схему. Коммутационная схема (КС) представляет собой преобразован­ную принципиальную электрическую схему, на которой не изобража­ются навесные элементы, а их выводы показываются контактными площадками. При создании КС намечают порядок расположения пле­ночных элементов и навесных компонентов.

После вычисления ориентировочной площади платы выбирают согласно табл. 8 ее типоразмер.

Таблица 8

Типоразмеры плат ГИС

№ типо­размера	Ширина	Длина	№ типо­размера	Ширина	Длина
I	96	120	11	5	6
2	60	96	12	2.5	4
3	48	80.	13	16	60
4	30	48	14	32	60
5	24	30	1Б	8	15
6	20	24	16	8	10
7	16	20	17	24	60
8	12	16	18	15	48
9	10	16	19	20	45
10	10	12

Платы № 3...10 используют в стандартных корпусах. Допуски на платы (-0,1...+0,3) мм. Материал подложки выбирается исходя из электрических параметров схемы и требований, предъявляемых к микросхеме (табл. 9). Одновременно выбирают типоразмер корпуса для размещения платы с учетом расположения контактных площадок под выводы схемы.

Наиболее подходящим материалом для плат толстопленочных ГИС является высокоглиноземистая керамика 22ХС (табл. 9) с высотой микро­неровностей рабочей поверхности платы не более 0,32...О,63 мкм. Максимальные размеры плат (60х48) мм, толщина плат (0,6...1) мм.

Таблица 9

Материал подложки	отн f=1МГц	tg*10-4	Коэффициент Теплопроводности.	ТКЛР*10-4
Кварц	3,78	1	0,059...0,096	55
Ситалл СТ-38-1	7,3...8,0	15	0,038	38
Ситалл СТ-50-1	8,3...8,5	12...20	0,0I4...0,04	50
Поликор	9,8	10	0,251	75
Стекло С 48-3	7,1	I2...I5	0,015	48
Сапфирит	9,3...9,6	1	0,209...0,251	-
Сапфир	9,9	<1	0,251	50...67
22ХС	9,3	10	0,134	60
Брокерит	6,8	6	1,67	75.. .92

2.5. Эскиз топологии

На этом этапе решают задачу оптимального размещения на пла­те пленочных элементов, навесных компонентов и соединений между ними, а также между внешними контактными площадками на подложке и выводами корпуса. Эскиз выполняют на миллиметровой бумаге в масштабе 10:1 или 20:1. Масштаб выбирают исходя из удобства ра­боты, наглядности и точности. Эскиз топологии ГИС выполняют сов­мещенным для всех слоев. При размещении пленочных элементов ру­ководствуются следующими правилами;

1) пленочные элементы должны по возможности равномерно размещаться по площади платы;

2) соединения между элементами схемы, а также элементов с контактными площадками должны быть наикратчайшими;

3) минимально допустимые расстояния между соседними пленочными элементами расположенными с одном слое составляют не менее 300 мкм, в разных слоях – 400мкм;

4) соединительные проводники, контактные площадки должны располагаться на расстоянии не менее 200 мкм от краев подложки; резисторы и обкладки конденсаторов – не менее чем на 700...1000 мкм;

5) Перекрытия для совмещения пленочных элементов, распо­ложенных в разных слоях, должны составлять не менее чем 200 мкм;

6) места на подложке, отводимые под навесные компоненты, должны быть свободными от пленочных элементов;

7) количество пересечений соединительных проводников должно быть сведено к минимуму.

Эскиз топологии ГИС выполняется в соответствии с разделом 2.5 и табл. 3.

2.6. Последовательность слоев, составляющих схему

Последовательность слоев при производстве толстопленочных ГИС следует выбирать такой, чтобы каждая последующая операция имела более низкую температуру вжигания сравнению с пре­дыдущей.

После очистки и отжига платы на нее наносят и вжигают пооче­редно проводящие, диэлектрические и резистивные пасты:

1. проводники и контактные площадки, нижние обкладки кон­денсаторов - при

t =750...800°С;

2) формирование слоя диэлектрика (конденсаторы)и изоляции в местах пересечения проводников - при t =700...750°C;

3) проводящие элементы на слой диэлектрика (верхние об­кладки конденсаторов к пленочные перемычки)- при t =700...720°С;

4) защитный слой диэлектрика - при t =620...650°С;

5) формирование резисторов (максимальное число резистивных слоев, выполненных из паст с различным удельным сопротивлением квадрата резистивной пленки, равно 3) - при t =600. ..650°С.

Необходимо стремиться к разработке конструкции с минималь­ным количеством слоев. Разработка последовательности слоев за­канчивается составлением таблицы слоев.

2.7. Сборочный чертеж.

После изготовления платы - подложки с нанесенными на нее пленочными элементами - производят подгонку пленочных резисторов и конденсаторов и выполняют сборку ГИС, а именно монтаж навесных компонентов, размещение и крепление платы в корпусе (обычно клеение на монтажной площадке корпуса), распайку выводов (соеди­нение контактных площадок ГИС с выводами корпуса проволочными проводниками из меди марки ММ диаметром 0,1 мм).

Корпус для размещения ГИС выбирают из числа стандартных, приведенных в справочной литературе или методических материалах кафедры, исходя из размеров подложки, числа выводов ГИС и их расположения (контактные площадки под выводы ГИС).

Для полного представления о ГИС в сборе и выполняемых сбо­рочных операциях разрабатывают сборочный чертеж.

Сборочный чертеж ГИС выполняют в масштабе 10:1, 20:1 на миллиметровой бумаге в виде двух проекций ГИС, размешенной в корпусе. Одна проекция ГИС - в корпусе без крышки с разведенными на плате навесными компонентами, вторая - вид слева, на котором должны быть указаны позиции для выполнения операций монтажа:

- клеение платы ко дну корпуса;

- клеение навесных компонентов (при необходимости), пайка или сварка выводов и т.п.;

- операции соединения контактных площадок ГИС с выводами корпуса (пайка, сварка), в качестве соединительных проводников используется проволока марки ММ 0,1 мм;

- сварка, пайка крышки с корпусом, герметизация места со­единения клеем, компаундом и т.п.

На поле чертежа должны быть указаны используемые в монтаж­ных операциях материалы, а также размещен корпус ГИС в масштабе 2:1 с указанием месторасположения первого вывода.

Практическая часть должна содержать:

1) электрическую и коммутационную схемы узла;

2) характеристики выбранных материалов для всех пленочных элементов;

3) топологический расчет пленочной части схемы;

4) таблицу слоев;

5) сборочный чертеж ГИС.

Все схемы и чертежи необходимо выполнять в соответствии с требова­ниями ЕСКД.

3. Исходные данные

Таблица 16.

Значения сопротивлений резисторов (кОм), их мощностей рассеивания (мВт),

их значений емкостей конденсаторов (НФ), и их рабочих напряжений (В) для толстопленочных ГИС.

	Номер схемы
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
R1	1,6(100)	1(90)	2,2	2,2(100)	2,2(50)	1,5(60)	1(125)	1(180)	1,5(90)	2,2(75)	7,5	10
R2	2,7(75)	1(90)	3,3	2,2(100)	2,2(50)	1,5(60)	1(125)	1(180)	1,5(90)	5,1	3,3(75)	2,2(50)
R3	2,7	1,2(120)	0,47(150)	3(20)	10	1(150)	5,1	3,3	0,82(200)	0,33	0,1	51
R4	4,3	1	0,22(40)	6	0,51(200)	8,2	2(120)	0,47	0,82	0,22(50)	5,1	1(150)
R5	2,7	0,51(20)	0,68	66	15	0,51(20)	6,8	0,15(30)	0,51(30)	2,7(100)	33	22
R6	0,24(145)	0,33(30)	0,22	3(75)	1(150)	-	0,33(50)	-	-	2,2(75)	-	-
R7	51	-	-	3,9	5	-	-	-	-	5,1	-	-
R8	-	-	-	0,36	-	-	-	-	-	0,33	-	-
R9	-	-	-	0,1	-	-	-	-	-	0,22(50)	-	-
R10	-	-	-	-	-	-	-	-	-	2,7(100)	-	-
C1	0,47(9)	6,2(12)	0,56(12)	4,7(12)	0,15(12)	6,2(9)	0,82(9)	6,8(12)	6,2(12)	4,7(12)	0,33(6,3)	0,3(9)
C2	1(9)	-	-	-	5,1(12)	-	3,3(9)	6,8(12)	6,2(12)	-	10(6,3)	6,8(9)
C3	2,2(9)	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	6,8(9)
C4	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	2,2(9)
f раб кГц	250	300	150	500	500	60	50	50	100	100	150	500

	Номер схемы
	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24
R1	0,51(200)	6,8	15	2,2	4,7	8,2	33	6,8	0,068(100)	6,8	0,22(20)	4,7
R2	0,51(200)	10	15	1(25)	4,7	0,33(75)	22	3,3	0,47	12	5,1	3,9
R3	5,1	0,22(100)	1(150)	10	1	1(25)	1,8(50)	10	1(10)	0,22(120)	3,9	1,5
R4	5,1	1(25)	8,2	4,7	0,47(25)	0,68(50)	0,51(80)	0,51(75)	5,1	10	3,9	5,0
R5	3,9	15	8,2	5,1	0,22(50)	10	8,2	0,51(75)	10	0,22(120)	0,47(150)	4,7
R6	0,68(50)	15	0,68(20)	10	0,68(30)	10	6,8	8,2	8,2	0,51(60)	-	0,1
R7	0,22(120)	0,1(150)	0,15	0,1(20)	5,1	-	2,2(40)	-	-	0,12(20)	-	2,2
R8	-	1(20)	0,15	2	8,2	-	1,5(60)	-	-	-	-	3
R9	-	30	-	3,3	-	-	-	-	-	-	-	0,51(130)
R10	-	-	-	0,22(50)	-	-	-	-	-	-	-	0,75(15)
C1	2,2(12)	0,68(9)	0,15(9)	0,2(6,3)	0,15(6,3)	6,8(6,3)	0,51(6,3)	4,7(6,3)	0,47(9)	6,8(9)	4,7(12)	0,47(12)
C2	-	15(9)	0,012(9)	3,3	4,7(6,3)	6,8(6,3)	33(6,3)	6,8(6,3)	0,47(9)	6,8(9)	4,7(12)	5,1(12)
C3	-	4,7(9)	5,1(9)	-	0,51(6,3)	33(6,3)	2(6,3)	-	6,8(9)	33(4)	5,1(12)	-
C4	-	-	5,1(9)	-	0,51(6,3)	33(6,3)	6,8(6,3)	-	0,68(9)	33(4)	5,1(12)	-
f раб кГц	50	150	200	100	50	100	100	50	250	100	150	200

Мощность рассеяния резисторов Ррас15 мВт (если не указана); R = 10; C = 15

В скобках указаны рабочие напряжения конденсаторов Uраб (В).