1.2.Особенности и этапы проектирования

Разработка гибридной ИМС представляет собой комплекс мероприятий, направленных на создание комплекта конструкторской документации (КД), предназначенного для изготовления, контроля и хранения микросхемы. Содержание этого комплекса в малой степени зависит от функционального назначения и конструктивно-технологического исполнения гибридной ИМС. В то же время в зависимости от того, разрабатывают ли микросхемы общего или частного применения, при их проектировании учитывается ряд особенностей.

При проектировании гибридных ИМС общего применения разрабатывают, как правило, не отдельный тип микросхемы, а полный состав серии ИМС. Определяющими при этом являются логическая (функциональная) структура радиоэлектронного устройства и технологический процесс изготовления. Структура радиоэлектронного устройства определяет функциональный состав серии, т.е. число типов разрабатываемых ИМС.

При проектировании гибридных ИМС частного применения в каждом конкретном случае разрабатывают отдельные типы микросхем в соответствии с заданной электрической схемой и возможностями технологии. Данные технологического процесса (его возможности и ограничения) наряду с техническими требованиями являются исходными при проектировании ИМС.

Процесс разработки гибридных ИМС включает основные этапы:

1. Определение функционального состава серии и требований к электрическим параметрам по каждому типу ИМС.

2. Синтез схем.

3. Анализ схем.

4. Составление технического задания на проектирование ИМС.

5. Выбор и обоснование типового технологического процесса изготовления и сборки.

6. Проектирование ИМС.

7. Изготовление опытной партии ИМС.

8. Испытание ИМС, оценка проектирования, изготовления и соответствия техническим требованиям.

9. Корректировка комплекта КД.

Функциональный состав серии гибридных ИМС определяют с учетом имеющихся готовых серий ИМС, технологических возможностей их изготовления и возможностей унификации разрабатываемой серии для увеличения круга потребителей.

Задачей синтеза является разработка электрической схемы для каждого типа ИМС. После этого производят тщательный анализ электрических схем с целью выявления соответствия внешних характеристик и параметров техническим требованиям, уточнения самой схемы и значений параметров ее элементов.

Техническое задание (ТЗ) на проектирование содержит сведения о характеристиках разрабатываемой ИМС и является исходной информацией для проектирования. Типовое техническое задание содержит следующие сведения:

1. Принципиальную электрическую схему с перечнем элементов.

2. Признаки воздействующего сигнала (частота, амплитуда, длительность и др.).

3. Электрические характеристики разрабатываемой ИМС.

4. Напряжения питания.

5. Условия эксплуатации.

Иногда в ТЗ имеются указания о типе и размере корпуса для разрабатываемой ИМС (при отсутствии таких указаний корпус подлежит разработке). ТЗ для гибридных ИМС общего применения составляют с учетом технических требований, оговоренных в ОТУ (ГОСТ 18725-83).

Данные ТЗ позволяют сформулировать требования к технологическому процессу и обоснованно выбрать из всех существующих типовых технологических процессов изготовления гибридных ИМС наиболее приемлемый. В случае, когда существующие технологические процессы не позволяют реализовать разрабатываемую гибридную ИМС в соответствии с техническими требованиями, выбирают метод формирования структуры пассивной части гибридной ИМС, а затем разрабатывают новый технологический процесс.

Проектирование гибридной ИМС включает в себя выбор типов компонентов, расчет и конструирование пленочных элементов, а также разработку топологической структуры и конструкции всей микросхемы, что требует решения основных взаимосвязанных вопросов. Этими вопросами являются: общие требования к системе или устройству, в которых будет использована ИМС; технические требования к характеристикам схемы; свойства пленочных элементов; специфические свойства пленок и методы изготовления пассивной части и сборки гибридной ИМС.

Общие требования к системе (устройству) и технические требования к ИМС предопределяют выбор размеров и формы подложки, расположение выводов, тип корпуса и способ герметизации. При решении вопроса о количестве схем на одной подложке важно определить удобный для производства размер подложки, возможность сборки гибридной ИМС, свести к минимуму число межэлементных соединений, определить оптимальный выход годных ИМС при производстве. При этом должна быть решена проблема теплоотвода, обеспечения высококачественных характеристик и высокой надежности. Поэтому важным моментом при проектировании гибридной ИМС является определение функциональной сложности схемы с учетом различных факторов.

Непосредственная связь между характеристиками схемы и параметрами элементов обуславливает необходимость рассмотрения свойств, преимуществ и ограничений тех или иных пленок уже на первоначальной стадии проектирования.

Свойства пленочных элементов определяются материалом, конфигурацией и способом нанесения пленок, а следовательно, их физическими, химическими, механическими и электрическими свойствами. Обычные требования к электрическим параметрам, значениям параметров и точности пленочных элементов должны быть связаны с такими конструктивными факторами, как типы используемых пленок, их относительное расположение, толщина, форма и применяемая технология. Поэтому процесс проектирования гибридной ИМС носит комплексный характер, где решающую роль играют свойства пленок, возможности технологии, характеристики элементов и их влияние на выходные параметры ИМС.

Проектирование гибридных ИМС осуществляют в такой последовательности:

1. Производят анализ ТЗ с учетом особенностей и возможностей пленочной технологии: получения пленочных элементов необходимых номинальных значений с заданными точностью, пробивным напряжением, мощностью рассеяния и др.. При этом учитывают параметры и конструкции активных и других компонентов, надежность и экономические факторы. В случае необходимости производят уточненный электрический расчет.

2. Выбирают дискретную элементную базу – типы компонентов.

3. Выбирают тип конструкции гибридной ИМС и тип корпуса исходя из условий эксплуатации.

4. Уточняют технологию нанесения пленочных пассивных элементов и выбирают метод сборки ИМС с учетом вида производства.

5. Определяют площадь подложки, ее форму, размеры и материал.

6. Производят расчет пленочных элементов с учетом схемотехнических требований и технологических возможностей, определяют форму и геометрию элементов и разрабатывают топологию схемы (эскизный вариант).

7. Производят оценку емкостных и индуктивных связей.

8. Производят тепловой расчет.

9. Производят расчет проектной надежности.

10. Разрабатывают оригинал топологии ИМС (уточняют эскизный вариант).

11. Разрабатывают морфологию гибридной ИМС – проектируют топологию каждого слоя схемы.

12. Разрабатывают конструкцию гибридной ИМС.

13. Оформляют и осуществляют выпуск технической документации.

По электрической схеме определяют перечень пленочных элементов и компонентов. В перечне приводятся сведения о номинальных значениях параметров, допусках на них и значениях других электрических параметров элементов.

Основной задачей проектирования является разработка топологии и морфологии гибридной ИМС, на базе чего оформляют чертежи для изготовления фотошаблонов (масок) и осуществляют сборку. Разработка топологии является одним из важных этапов проектирования гибридных ИМС, на котором решают задачу компоновки пленочных элементов и компонентов с учетом общей компоновки микросхемы, ее электрических особенностей и технологических возможностей изготовления.

При разработке топологии проектируют схему взаимного расположения пленочных элементов разрабатываемой ИМС, рассчитывают их геометрические размеры, выбирают форму, компонуют пленочные и навесные элементы и вычерчивают их размещение на подложке в увеличенном масштабе.

Разработка морфологии включает в себя определение степени интеграции, количества пленочных слоев, их конфигурации, геометрии и последовательности формирования. Как правило, каждый слой представляет собой топологическую структуру, создаваемую нанесением пленки одного материала (резистивного, диэлектрического, проводящего, защитного).