1.5.Исходные данные для проектирования топологии

Расчет и проектирование топологической структуры гибридной ИМС должны быть направлены на получение оптимальной конструкции микросхемы, обеспечивающей высокую надежность при минимальных технологических затратах. Оптимальность конструкции в значительной степени определяется полнотой исходных данных.

Исходными данными для разработки топологии являются: схемотехнические (электрические) данные и требования; технологические данные и требования; технологические ограничения; конструктивные данные и требования.

Схемотехнические данные получают на основе анализа функционального состава разрабатываемой ИМС. Важным при этом является определение числа выводов ИМС.

Технологические данные определяются конкретной технологией изготовления. Поэтому важным при проектировании является выбор типового технологического процесса, если это не оговорено заданием на разработку. Выбор типового технологического процесса осуществляют по таким критериям: вид производства, обеспечение точности изготовления пленочных элементов, стабильность параметров, стоимость, надежность.

Конструктивные данные во многом определяются типом и способом монтажа используемых компонентов, а также видом защиты ИМС, что зависит от областей применения и условий эксплуатации схемы. В случае корпусной защиты необходимо руководствоваться номенклатурой типоразмеров корпусов, разработанных для других ИМС.

Схемотехнические (электрические) данные и требования. Схемотехнические данные являются главными при проектировании гибридных ИМС, т.к. они определяют связи и параметры элементов, их функциональное назначение и условия эксплуатации. Они подразделяются на основные и дополнительные.

К основным данным относятся:

1. электрическая схема с указанием входных и выходных сигналов, режимов питания;

2. полный перечень элементов схемы, их параметров и характеристик (номинальные значения, допуск на номинал, электрический и тепловой режимы, стабильность во времени и др.), который приводится в спецификации;

3. условия эксплуатации;

К дополнительным данным относятся:

1. по электрической схеме – значения сопротивлений наиболее критичных коммутационных связей и тип питания; допустимые падения напряжений в определенных проводниках; значения реактивных параметров пленочных проводников и проволочных выводов; значения паразитных параметров между отдельными элементами; величина наведенных сигналов; допустимое значение емкости шин питания; общая мощность, рассеиваемая схемой; наличие контрольных точек;

2. по параметрам элементов – добротность конденсаторов на определенной частоте, диапазон и шаг регулировки номиналов элементов, требующих подгонки после изготовления.

Технологические данные и требования. Технологические данные и требования характеризуют возможность изготовления схемы с заданными параметрами. Основными технологическими данными являются параметры структурных элементов гибридных ИМС: подложек, пленочных элементов (резисторов, конденсаторов), проводников, контактных площадок, межслойной изоляции и защитного слоя. Это данные о качественных параметрах технологии получения пленок и пленочных сложных структур, о параметрах пленок различного назначения (резистивные, проводниковые, контактные, диэлектрические, защитные), о комбинации различных пленок, о количестве наносимых слоев в различной последовательности напыления материалов в зависимости от способа изготовления пассивной части схемы, точности изготовления пленочных элементов.

Характеристики основных материалов подложек, пленочных резисторов, конденсаторов, проводников, контактных площадок и защитных слоев приведены в табл. 1.5.1-1.5.5.

Технологические данные, как правило, заимствуются из конкретного типового технологического процесса и могут изменяться по мере совершенствования технологии. Рассмотрим некоторые данные и требования, обусловленные современным уровнем пленочной технологии.

Точность изготовления геометрического контура пленочных элементов определяется рядом погрешностей: ошибкой по контуру для данной технологии изготовления рисунка в маске или фотошаблоне ; ошибкой в линейных размерах и , ошибкой совмещения маски (фотошаблона) с подложкой

При проектировании необходимо учитывать следующие значения ошибок: для биметаллических масок , , .

Точность воспроизведения физических свойств пленок в процессе изготовления определяется относительной погрешностью номинального значения удельного параметра пленки: для резистивных пленок , для диэлектрических пленок .

В общем случае погрешность пленочных элементов характеризуется относительным среднеквадратическим отклонением номинального значения параметра пленочного элемента, которое определяется суммой относительных среднеквадратических отклонений его составляющих: для резисторов , и ; для конденсаторов и .

Перечислим технологические требования:

1. Последовательность нанесения слоев пленочной структуры должна строго соблюдаться для выбранного метода изготовления.

2. Оригинал гибридной ИМС должен выполняться в прямоугольной системе координат в масштабе 10:1 или 20:1.

3. При разработке топологических чертежей должны предусматриваться технологические поля:

   • для плотного прижимания масок к подложке в процессе напыления (определяются конструкцией маскодержателя);

   • для разрезки подложки на платы (определяются применяемым оборудованием);

   • периферийные поля (при масочном методе 0,5 мм, при фотолитографии 1 мм).

Основные ограничения, накладываемые тонкопленочной технологией. При разработке топологии гибридных ИМС, изготовляемых по тонкопленочной технологии, необходимо учитывать следующие основные ограничения:

1. пассивные элементы, к точности которых предъявляются жесткие требования, располагают на расстоянии не менее 500 мкм при масочном методе и 200 мкм при фотолитографии от краев и осевых линий прижимных перегородок;

2. для совмещения элементов, расположенных в разных слоях, предусматривают перекрытие не менее 200 мкм при масочном и совмещенном методах и не менее 100 мкм при фотолитографии;

3. для измерения номиналов пленочных элементов и контроля режимов схемы предусматривают контактные площадки размером не менее 200×200 мкм;

4. компоненты устанавливают в специально отведенные места на расстоянии не менее 500 мкм от пленочных элементов и не менее 600 мкм от контактной площадки; минимальное расстояние между компонентами составляет 300 мкм;

5. длина проволочных выводов компонентов должна быть в пределах 600 мкм – 3 мм;

6. минимально допустимое расстояние между пленочными элементами (в том числе и контактными площадками) составляет 300 мкм при масочном методе и 100 мкм при фотолитографии;

7. минимальные номинальные значения сопротивления пленочного резистора устанавливают в 50 Ом, при этом длина резистора не должна быть меньше 100 мкм;

8. минимально допустимая ширина пленочных резисторов составляет 100 мкм при масочном методе и фотолитографии и 50 мкм при танталовой технологии;

9. у большинства тонкопленочных конденсаторов нижняя обкладка выступает за край верхней не менее чем на 200 мкм, диэлектрик выступает за край нижней обкладки не менее чем на 100 мкм (исключение составляют конденсаторы, образованные пересечением двух полосок);

10. минимально допустимая ширина пленочных проводников составляет 100 мкм при масочном методе и 50 мкм при фотолитографии и танталовой технологии;

11. минимально допустимое расстояние между пленочными элементами, расположенными в разных слоях, составляет 200 мкм при масочном и совмещенном методах и 100 мкм при фотолитографии и танталовой технологии;

12. минимально допустимые размеры контактных площадок составляют: для приварки гибких выводов 200×150 мкм, для припайки 400×400 мкм;

13. минимальные размеры контактных площадок для монтажа компонентов с шариковыми или столбиковыми выводами составляют 200×100 мкм, с ленточными полиимидными носителями 300×400 мкм;

14. минимальное расстояние между контактными площадками для монтажа компонентов с шариковыми или столбиковыми выводами и пленочным резистором составляет 600 мкм, а диэлектриком конденсатора – 350 мкм;

15. не рекомендуется проектировать пленочные резисторы с числом квадратов менее 0,1 и конденсаторы с площадями менее 0,5×0,5мм и суммарной площадью более 2см².

Основные ограничения, накладываемые толстопленочной технологией. При разработке и проектировании топологии гибридных ИМС, изготовляемых по толстопленочной технологии, необходимо учитывать следующие основные ограничения:

1. точность изготовления толстопленочных элементов составляет (0,05 0,1) мм при использовании проводящих паст и 0,1 мм при использовании резистивных и диэлектрических паст;

2. минимальные расстояния между краями пленочных элементов и платы равны 0,1мм;

3. минимальные расстояния между краями платы и отверстиями под внешние выводы должны быть 0,5 мм;

4. минимально допустимые расстояния между пленочными элементами должны быть 0,05–0,3 мм (в зависимости от типа паст) в одном слое и 0,4 мм – в разных слоях;

5. минимальная ширина пленочных проводников составляет 0,15–0,2 мм при нанесении пасты на плату и 0,2–0,3 мм – при нанесении пасты на диэлектрический слой (в зависимости от типа паст);

6. номинальные значения сопротивлений резисторов составляют 25 Ом – 1 МОм, емкостей конденсаторов – 50–250 пф;

7. минимальная ширина резисторов равна 0,8 мм;

8. на одной стороне платы может быть максимально 3 различных резистивных слоя (наносится 3 типа паст);

9. допустимое отклонение сопротивления резистора до подгонки не должно превышать 50% от номинального значения; максимальная точность после подгонки 2%;

10. у толстопленочных конденсаторов нижняя обкладка должна выступать за край верхней не менее чем на 0,3 мм, диэлектрик должен выступать за край нижней обкладки не менее чем на 0,2 мм; при проектировании конденсаторов предусматривают компенсаторы (локальное увеличение площади верхней обкладки), учитывающие относительный сдвиг между обкладками;

11. минимальные размеры контактных площадок для монтажа компонентов с гибкими выводами и проволочных перемычек методом пайки составляют 0,3×0,4 мм при ручном монтаже и 0,6×0,6 мм – при автоматизированном монтаже; для монтажа нескольких выводов к контактной площадке одну из ее сторон увеличивают на 0,3 мм на каждый вывод;

12. минимальные размеры контактных площадок, предназначенных для контроля электрических параметров, должны быть 0,4×0,4 мм;

13. минимальные размеры контактных площадок для монтажа навесных (дискретных) конденсаторов зависят от размеров конденсаторов и составляют: длина – больше на 0,2 мм ширины конденсатора, ширина 0,2 мм;

14. минимальное перекрытие проводящего слоя резистивным должно быть 0,1 мм;

15. минимальный размер круглого отверстия в межслойной изоляции для соединения двух уровней металлизации равен 0,6 мм, квадратного – 0,5×0,5 мм;

16. размеры внешних контактных площадок зависят от конструкции ИМС и составляют 1,1 мм для вывода круглого сечения диаметром 0,9 мм и 0,9×1,6 мм или 1,4×2 мм (в зависимости от способа монтажа) – для выводов прямоугольного сечения;

17. минимальные расстояния компонентов от края платы составляют 1 мм, а минимальные расстояния от края контактных площадок, к которым припаивается их вывод, и от соседних компонентов определяются технологией монтажа;

18. максимальная длина гибкого вывода компонента до точки контактирования без дополнительного крепления должна быть 3 мм.

Приведенные ограничения соответствуют современному уровню тонкопленочной и толстопленочной технологий и отражены в отраслевых стандартах как проектные нормы. По мере совершенствования технологии они могут изменяться. Поэтому разработчику перед проектированием топологии следует тщательно ознакомиться с технологией изготовления для уточнения всех необходимых ограничений.

Таблица 1.5.1

Характеристики материалов подложек гибридных ИМС

Характеристика	Материал
	Стекло		ситалл СТ50-1	плавленый кварц	керамика				металл*	полиимид*ПМ-1
	С41-1	С48-3			22ХС (96% Al203)	Поли-кор	Глазурованная	брокерит (98%ВеО)
Класс чистоты обработки по­верхности	14	14	13—14	14	12	12—14	14	Высота микро-неронв-ностей до 0,45мкм	12—14	12-14
Температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР (x107) при Т = 20—300°С, град1	41 ± 2	48 ± 2	50 ± 2	55	60 ± 5	70-75	73-78	70	62	200
Коэффициент теплопроводности. Вт/(м∙°С)	1	1,5	1,5	7—15	10	30—45	1,2—1,7	210	40	4,5
Диэлектрическая проницаемость при f=106 Гц и Т = 20° С	7,5	3,2-8	5—8,5	3,8	10,3	10,5	13—16	6,4—9,5	6—7	3,5
Тангенс угла диэлектрических потерь (x104) при f= 106 Гц и Т = 20° С	20	15	20	—	6	10	18	16	6	30
Объемное сопротивление при Т=25°С, Ом∙см	1017	1014	—	1015				1014	1014	1017
Электрическая прочность, кВ/мм	40	40	—	—	50	—	50	20		15

* Используются в гибридных БИС и МСБ.

Таблица 1.5.2

Характеристики материалов пленочных резисторов

Материал резистора	Материал контактных площадок	Удельное по­верхностное сопротивле­ние , Ом/□	Температур­ный коэффи­циент сопро­тивления TK Rx104, град1	Удель­ная мощ­ность рассе­яния P0, Вт/см2	Относи­тельное измене­ние со­против­ления за 1000 ч работы, %	Способ нанесе­ния пленок
Хром	Золото	10—50	-2,5	1	1,5—3	Термическое напыление
Нихром	Медь	300	± 1	2	1,1—1,3	То же
Сплав МЛТ-ЗМ	Медь с подслоем ни­хрома (ва­надия)	500	±2	2	±0,5	>>
Рений	—	300—7000	0—20		—	>>
Тантал	Алюминий с подслоем нихрома (ва­надия)	20—100	— 2	3		Катодное распыление
Тантал	Тантал	10	—2	3	1	То же
Нитрид тантала	>>	200	0	3	0,2	>>
Сплав PC-3001	Золото с подслоем хрома	1000—2000	— 0,2	2	± 0,5	Термическое напыление
Сплав PC-3710	То же	3000	— 3	2	—	То же
Кермет К-50С	>>	3000—10000	-5 ÷ +3	2	± 1	>>
Паста ПР-100	Паста ПП-1	100	-12 ÷ +10	3	±3	Сеткография
ПР-500	То же	500	-12 ÷ +10	3	±3	>>
ПР-1К	>>	1 000	-12 ÷ +10	3	±3	>>
ПР-ЗК	>>	3000	-13 ÷ +10	3	± 3	>>
ПР-6К	>>	6000	-12 ÷ +10	3	±3	>>
ПР-20К	>>	20000	-12 ÷ +10	3	±3	>>
ПР-50К	>>	50000	-12 ÷ +10	3	±3	>>
ПР-100К	>>	100000	-12 ÷ +10	3	±3	>>

Таблица 1.5.3

Характеристики материалов пленочных конденсаторов

Материал диэлектрика	Материал обкладок	Диэлектрическая проница-емость на частоте 1 кГц, ε	Удельная емкость Сд,пФ/см2	Тангенс угла диэлектри-ческих потерь на частоте 1 кГц, tg δ	Температур-ный коэффициент емкости ТК С х104 град-1	Электрическая прочностьЕпрх10-6,В/см	Стабильность в нормальных условиях под рабочим на­пряжением за 1000 ч работы, %	Способ нанесения пленок
Моноокись кремния	Алюминий	5-6	5000—10000	0,01—0,02	2—3,5	2—3	±(1,5-6)	Терми-ческое напыление
Моноокись германия	»	10-12	5000 10000 15000	0,001—0,005	3-5	1	- 1	То же
Двуокись кремния	»	4	20 000	0,5	2	5-10	—	Ионно-плазменное распыление Реактивное распыление
Окись алю­миния	Алюминий + никель	8	30000 40000	0,3—1	3—4	5	—	Реактивное распыление, анодное окис­ление
Окись тан­тала	Тантал +ванадий	20—23	50000 100000 200 000	0,02	4	2	± 1	То же
Боросиликатное стекло (БСС)	Алюминий +ванадий, алю­миний + титан	3,9—4,2	15000	0,001	0,2	3—5	—	Терми-ческое напыление
Алюмосили-катное стекло (АСС)	То же	5.2—5,5	30000	0,003	1,5	3—5	—	То же
Иттрий-бо-рнтное стекло (ИБС)	»	10—12	60000	0,007	5	2—3	—	»
Паста ПК-12	Паста ПП-1, ПП-2	—	10000	0,03—0.04	± 10	Uпр ≥ 150 В	±5	Сектография
Паста ПK1000-30	То же	—	3 700	0,036	± 10	Uпр ≥ 150 В	± 5	»

Таблица 1.5.4

Характеристики многокомпонентных систем тонкопленочных проводников и контактных площадок

Материал подслоя, слоя и покрытия	Толщина слоев. мкм	Удельное поверхностное сопротивле­ние , Ом/□	Рекомендуемый способ контактирования внешних выводов
Подслой – нихром Х20Н80 Слой – золото Зл999,9	0,01—0,03 0,6—0,8	0,03—0,05	Пайка микропаяльником или сварка им­пульсным косвенным нагревом
Подслой – нихром Х20Н80 Слой – медь MB (вакуумплавленая) Покрытие – никель	0,01—0,03 0,6—0,8 0,08—0,12	0,02—0,04	Сварка импульсным косвенным нагревом
Подслой—нихром Х20Н80 Слой—медь MB (вакуумплавленая) Покрытие – золото Зл999,9	0,01—0,03 0,6—0,8 0,05—0,06	0,02—0,04	Пайка микропаяль­ником или сварка им­пульсным косвенным нагревом
Подслой – нихром Х20Н80 Слой – алюминий А97	0,01—0,03 0,3—0,5	0,06—0,1	Сварка сдвоенным электродом
Подслой – нихром Х20Н80 Слой – алюминий А99 Покрытие – никель	0,04—0,05 0,25—0,35 0,05	0,1—0,2	Сварка импульсным косвенным нагревом

Таблица 1.5.5

Характеристики материалов, применяемых для защиты элементов

Материал диэлектрика	Удельная емкость Со, пФ/мм2	Тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 1 кГц, tg δ	Удельное объемное сопротивление, ρν х10-12Ом см	Электрическая прочность Епp х10-5 В/см	Температурный коэффициент емкости TKCх104 при Т = -60 85°С, град-1
Моноокись кремния	17	0,03	1	30	5
Халькогенидное стек­ло ИКС-24	50	0,01	1	4	5
Негативный фоторе­зист ФН-108	12	0,01	1	1	5
Фоторезист ФН-11	50—80	—	3	6	—
Лак полиимидный электроизоляционный	80—100		2	5
Окись кремния	100	—	10	6	—
Паста ПД-3	160	0,002	—	5	3
Паста ПД-4	220	0.003	—	5	3

Конструктивные данные и требования. Конструктивные данные подразделяются на общие и частные и характеризуют объем и форму гибридной ИМС, размеры платы, число и расположение выводов, формирование единой топологической структуры для ряда схем, размеры и способ монтажа компонентов, способ монтажа ИМС в корпус.

При проектировании топологии гибридной ИМС необходимо учитывать, что:

1. размер платы выбирают в соответствии с табл. 1.5.6, при этом платы с типоразмерами №3-10 используются в стандартных корпусах, остальные – в бескорпусных ИМС и микросборках;

Таблица 1.5.6

Типоразмеры плат

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

Примечание. Размеры указаны в миллиметрах

2. в одной ИМС следует применять компоненты с одинаковым типом выводов, а в случае гибких выводов – одинакового диаметра и материала;

3. компоненты рекомендуется по возможности располагать рядами, параллельными сторонам платы, и одинаково ориентированными;

4. не допускаются монтаж компонентов на пленочные конденсаторы и пересечения проводников (возможна их установка на пленочные резисторы и проводники, защищенные диэлектриком);

5. для монтажа компонентов с ленточными полиимидными носителями предусматривают специальные технологические поля, по периферии которых размещают контактные площадки; размер поля зависит от размера кристалла;

6. периферийные контактные площадки располагают по четырем или двум противоположным сторонам платы (для линейных ИМС допускается расположение с одной стороны);

7. шаг расположения контактных площадок соответствует ряду 0,625; 1,25 и 2,5 мм (для бескорпусной защиты) или расположению выводов корпуса (для корпусной защиты);

8. каждая гибридная ИМС должна иметь ключ – увеличенную контактную площадку или специальный знак, расположенный в нижнем левом углу на большей стороне платы; ключ вычерчивают в процессе проектирования топологии.