2.2. Проводники и контактные площадки

Проводники и контактные площадки ГИС должны иметь хорошую адгезию к подложке, малое удельное сопротивление. Поэтому эти элементы обычно выполняются в виде двух- или трехслойных струк­тур (см. табл. 5) с толщинами порядка (0,5...1) мкм.

Таблица 5

Характеристики материалов, применяемых для проводников и контактных площадок ГИС.

Материал проводников, контактных площадок и подслоя	Толщина слоя, А	Удельное сопротив­ление s, Ом/
Подслой - нихром Слой - золото	100...300 6000...8000	0,03...0,04
Подслой - нихром Слой - медь Покрытие - никель	I00...300 6000...8000 800...1200	0,02...0,04
Подслой - нихром Слой – медь Покрытие – серебро	100...300 4000...10000 800...1000	0,02...0,04
Подслой - нихром Слой - медь Покрытие - золото	100...300 6000...800 500	0.02...0,04
Подслой - нихром Слой – алюминий Покрытие – никель	400...500 2500...3500 500	0,1...0,2
Подслой - МЛТ-ЗМ Слой – медь Покрытие - припой ПОС-61	300...500 I000...2000 Св. 10000	менее 0,2

Минимальная ширина тонкопленочных проводников и геометри­ческие размеры контактных площадок ограничиваются методом изго­товления (см. табл. 3), а максимальные - габаритами ГИС, удобст­вом размещения этих элементов на плате, удобством монтажа навес­ных компонентов на контактных площадках.

Контактные площадки под выводы схемы выбираются в пределах 0,70,7 …11 мм.

В местах пересечений проводники разделяются слоем диэлект­рика с малыми значениями удельной емкости C0 (см. табл. 6).

2.3. Тонкопленочные конденсаторы.

Топологический расчет пленочного конденсатора заключается в определении его формы, геометрических размеров и площади, за­нимаемой конденсатором на подложке.

Исходные данные для расчета:

- номиналы конденсаторов C1, C2, … Cn, пФ, нФ;

- допустимое отклонение емкости конденсатора от номинала C,;

- рабочее напряжение Uраб;

- технологические ограничения.

Таблица 6

Характеристики материалов, применяемых для межслойной изоляции.

Материал диэлект­рика	Удельная емкость C0, пФ/см	tg при 1 кГц	Удельное объемное сопротивление	Электричес­кая проч­ность, мВ/см	TКE 1/°С при Т = 60...85°С
Моноокись кремния Халько-генидное стекло	1700 5000	0,03 0,01	1 1	3 0,4	5 5

Емкость тонкопленочных конденсаторов определяется площадью перекрытия его обкладок (или площадью верхней обкладки).

На рис.7а,б приведена конструкция трехслойного конденсато­ра с площадью верхней обкладки S  5 мм² .

Рис. 7. Конструкция тонкопленочного конденсатора.

Предпочтительной формой обкладок является квадрат (рис. 46). При активной площади пленочного конденсатора от I до 5 мм обкладки конденсатора можно выполнять в виде двух взаимно пересекающихся полосок (рис. 7в).

Таблица 7

Основные параметры материалов тонкопленочных конденсаторов.

Материал		Параметры
Диэлектрика	обкладок	s, Ом/	C0 нФ/см²	Uраб, В	 , f =1кГц	tg, f =1кГц	Eпр, МВ/см²	fр, МГц	ТКС, 1/°C
Моноокись Кремния	Алюминий А99	0,2	5 10	60 30	5…6	0,01...0,02	2...3	500	2
Моноокись Германия			5 10 15	10 7 5	11...12	0,005...0,007	1	300	3
Боросиликатное стекло	Алюминий А99		25 5 10 15	24 15 10 8	4	0,001...0,0015			0,35
		0,2				,..	3...4	300
Стекло			15	12,6
Электровакуумное			20	10...12,6	5,2	0,002...0,003			0,5…1
			30 40	6,3…10 6,3					1,5…1,8
Пятиокись Тантала	Тантал ТВ4 (Ниж. обкладка)	1…10	60 100	15 10
					23	0,02	2	0,1	4
	Алюминий С подслоем ванадия (верх. обкладка)	0,2	200	3

Чтобы конденсатор занимал как можно меньшую площадь, нужно выби­рать материал с возможно более высокими диэлектрической проница­емостью, электрической прочностью, а также малыми значениями ТКЕ и tg.

1) Выбрать материал диэлектрика по рабочему напряжению (табл.7).

2) Минимальная толщина диэлектрика из условия электричес­кой прочности

dmin = Kз Uраб/Eпр

где Кз - коэффициент запаса электрической прочности, для пленоч­ных конденсаторов Кз =2…3;

Uраб - рабочее напряжение, В;

Eпр - электрическая прочность материала диэлектрика, В/мм.

Толщина диэлектрика должна быть в пределах 0,1...1 мкм, в противном случае следует выбирать другой материал диэлектрика.

3) Удельная емкость конденсатора исходя из условия элект­рической прочности, пФ/см²,

С0v = 0,0885/d;

здесь d измеряется в сантиметрах.

4) Минимальная удельная емкость конденсатора с учетом электрической прочности

С0  С0v

5) Коэффициент, учитывающий краевой эффект,

К= 1 при С/C0  5 мм²

К = (1,3…0,6)С/C0 при 1 С/C0  5 мм²

6) Площадь верхней обкладки

S = С/(C0K)

Если площадь перекрытия обкладок меньше 1 мм², необходимо взять другой диэлектрик с меньшим значением С0, или увеличить толщину диэлектрика d в возможных пределах, или выбрать навес­ной конденсатор. Если площадь перекрытия обкладок больше 200 мм², требуется взять другой диэлектрик с большим значением

С0, либо уменьшить толщину диэлектрика d в возможных преде­лах, либо использовать навесной конденсатор.

7) Размеры верхней обкладки конденсатора:

для обкладок квадратной формы

L= B =

8) Размеры нижней обкладки определяются с учетом минималь­но допустимого расстояния между краями верхней и нижней обкладок конденсатора и между краем диэлектрика и нижней обкладкой кон­денсатора (е = 0,2 мм):

Lн = Bн = L + 2е

9) Размеры диэлектрика

LД = BД = Lн + 2е

10) Площадь, занимаемая конденсатором на подложке,

Sк = LкBк

Наилучшим материалом для обкладок конденсатора является алюминий, имеющий малое поверхностное сопротивление 0,2 Ом/. Минимальная допустимая площадь перекрытия обкладок конденсато­ров 0,50,5 мм² , а максимальное отклонение емкости кон­денсатора от номинального значения 12% для всех способов изготовления.

2.4. Площадь подложки

После расчета пассивных элементов подсчитывается общая площадь, занимаемая ими на подложке:

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, остальные в бескорпусных ГИС и микросборках. Допуски (-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 16.

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 составляют не менее 100 мкм для фотолитогра­фического способа изготовления и не менее 300 мкм для масочного метода;

4) соединительные проводники, контактные площадки должны располагаться на расстоянии не менее 200 мкм от краев подложки для фотолитографического способа изготовления и не менее 500 мкм для масочного метода; резисторы и обкладки конденсаторов – не менее чем на 700...1000 мкм для обоих способов изготовления;

5) Перекрытия для совмещения пленочных элементов, распо­ложенных в разных слоях, должны быть удалены не менее чем на 100 мкм для фотолитографического способа изготовления и не менее 200 мкм для масочного;

6) места на подложке, отводимые под объемные элементы, должны быть свободными от пленочных элементов;

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

2.6 Последовательность слоев

Топологический расчет предусматривает разработку строгой последовательности слоев, составляющих схему. Число и последова­тельность слоев, количество элементов в каждом слое определяются, прежде всего, методом изготовления. Наиболее широко распространен следующий порядок нанесения слоев:

1) резисторы;

2) контактные площадки и соединительные проводники;

3) нижние обкладки конденсаторов и соединительные проводники;

4) диэлектрик конденсаторов, изоляция в местах пересечения соединительных проводников;

5) верхние обкладки конденсаторов и соединительные провод­ники поверх изоляции в местах пересечения;

6) диэлектрик - защитное покрытие для всех пассивных эле­ментов микросхемы, кроме контактных площадок.

Все элементы схемы, выполняемые из одного и того же мате­риала, должны располагаться в одном слое. Необходимо стремиться к разработке конструкции с минимальным количеством слоев. Так, при применении алюминия в качестве материала для соединительных проводников и нижних обкладок конденсаторов можно обойтись одним слоем.

Разработка последовательности слоев заканчивается составле­нием таблицы слоев, которая должна содержать следующие столбцы;

- номер слоя;

- наименование слоя (резистивный, проводящий и т.п.);

- материал слоя;

- толщина слоя.

3. 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, ни 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.

4. Исходные данные

Таблица 15

Значение сопротивлений резисторов (кОм), их мощностей рассеивания (мВт), емкостей конденсаторов (нФ), их рабочих напряжений (В) для расчета тонкопленочных ГИС.

Пара- метры	Номер схемы
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
R1	33	15	6,8	5	8,2	5,1	5,1	3	10	10	15	43
R2	5,1	15	12,2	5	8,2	5,1	5,1	3	10	24	5,1	6,8
R3	5,1	4,7	220	4,7	18	4,7	7	5,1	6.8	2	0,18	240
R4	8,2	5,1	0,21	12	15	12	4,7	0,6	6,8	1	10	5
R5	5,1	0.51	750	12	4,7	0,68	10	033	051	7	100	100
R6	0,51	0,33	220	4,7	1	-	0,51	-	-	10	-	-
R7	100	-	-	5,66	20	-	-	-	-	24	-	-
R8	-	-	-	0,68	-	-	-	-	-	2	-	-
R9	-	-	-	0,3	-	-	-	-	-	1	-	-
R10	-	-	-	-	-	-	-	-	-	7	-	-
C1	0,2 (5)	4,7 (5)	0,47 (5)	3,3 (5)	0,1 (4)	4,7 (4)	0,5 (4)	1,8 (5)	3,3 (5)	0,27 (4)	0,15 (5)	0,2 (5)
C2	0,51 (5)	-	-	-	-	-	2,5 (4)	1,8 (5)	3,3 (5)	-	6,8 (5)	3,9 (5)
C3	5 (5)	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	3,9 (5)
C4	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	10 (5)
f раб кГц	500	500	450	750	750	500	160	100	250	750	500	300

	Номер схемы
	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24
R1	3	10	13	3,3	5,6	10	39	7,5	0,082	8,2	0,33	5,1
R2	3	15	13	2	5,6	0,33	30	2,4	0,33	1,8	5,6	3,6
R3	10	0,43	2,1	12	1	1,5	2,5	15	1,5	0,33	4,3	1,6
R4	10	2,2	10	5,1	0,51	1	1	0,56	6,8	13	4,3	7,5
R5	5,5	10	10	6,8	0,33	10	12	0,56	16	0,33	0,75	5,1
R6	0,68	15	1	15	0,68	10	8,2	10	11	0,75	-	0,1
R7	0,3	0,33	0,18	0,1	6,8	-	3,9	-	-	0,22	-	2,2
R8	-	1,8	0,22	3	10	-	4,7	-	-	-	-	3,2
R9	-	30	-	4	-	-	-	-	-	-	-	0,51
R10	-	-	-	0,033	-	-	-	-	-	-	-	0,75
C1	1(4)	0,47(4)	0,1(5)	0,15(3,7)	0,1(5)	5,1	0,39(4)	0,33(5)	0,27(3,7)	4,7(3,7)	2,2(3,7)	0,22(4)
C2	-	10(4)	0,051(5)	2,2(3,7)	3,3(3,7)	5,1(5)	20(4)	5,1(5)	0,27(3,7)	4,7(4)	2,2(3,7)	0,33(4)
C3	-	-	3,3 (5)	-	5,1(3,7)	22(5)	1(4)	-	4,7(3,7)	22(4)	3,3(3,7)	-
C4	-	-	3,3 (5)	-	5,1(3,7)	22(5)	47(4)	-	0,47(3,7)	22(4)	3,3(3,7)	-
f раб кГц	250	100	150	200	100	300	500	750	130	250	750	500

Мощность рассеяния резисторов Ррас15 мВт; R = 10; C = +15

В скобках указаны рабочие напряжения конденсаторов Uраб (В).