1.7.Принципы практического проектирования и компоновки топологической структуры гибридных имс

Процесс проектирования топологической структуры гибридных ИМС включает последовательное выполнение целого комплекса работ по расчету пленочных элементов и их компоновке вместе с компонентами на плате заданных размеров. Комплекс этих работ организационно и технически можно объединить в группы. При этом процесс проектирования предполагает выполнение четырех основных этапов:

1. определение минимальных размеров платы, выбор компонентов и типоразмера корпуса;

2. разработку коммутационной схемы соединений элементов на подложке;

3. расчет геометрических размеров и выбор формы пленочных элементов;

4. разработку окончательного варианта топологии – оригинала.

При выполнении каждого из этих этапов необходимо придерживаться определенных принципов, позволяющих решать поставленную задачу оптимально и комплексно, начиная с первого этапа. Общими принципами для всех этапов проектирования топологической структуры являются:

1. минимизация площади, занимаемой элементами, компонентами и схемой в целом;

2. минимизация числа пересечений межэлементных соединений;

3. равномерное расположение элементов и компонентов по площади;

4. минимизация числа используемых материалов для реализации пленочных элементов;

5. повышение степени интеграции элементов и технологических процессов.

Каждый из этих принципов следует соблюдать при проектировании топологии гибридных ИМС для изготовления как по тонкопленочной, так и по толстопленочной технологии.

Кроме перечисленных, для каждого этапа проектирования имеются специфичные принципы, которыми руководствуются в практической работе.

Особенно трудной при проектировании топологической структуры гибридных ИМС является ее компоновка (планировка) с соблюдением всех принципов и требований. Поэтому очень важна правильная организация планировки топологической структуры при выполнении первого этапа проектирования.

Первый (предварительный) этап проектирования включает в себя круг вопросов, связанных с анализом электрической схемы, схемотехнических данных, типовых технологических процессов и свойств материалов для пленочных элементов, базы данных по компонентам. Его выполняют с целью: выяснить возможность реализации заданной схемы в гибридно-пленочном исполнении при имеющихся технических возможностях; определить функциональную сложность ИМС; определить минимальную площадь платы, занимаемую гибридной ИМС; выбрать компоненты и типоразмер корпуса; определить степень интеграции ИМС.

Следует отметить, что топологическую структуру гибридных ИМС проектируют применительно к конкретному типовому технологическому процессу, выбор которого осуществляют (если не оговорено в техническом задании) на более ранних этапах проектирования с учетом многих факторов, в том числе стоимости, надежности и вида производства.

Первый этап выполняют в такой последовательности: сначала проводят анализ электрической схемы для выделения пленочных и дискретных (навесных) элементов. К навесным элементам (компонентам) кроме активных можно отнести часть пассивных, реализация которых затруднена технологически или если в пленочном исполнении они занимают большую площадь. Затем выбирают оптимальное значение удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки. При этом предполагают, что все резисторы будут изготовлены из одного материала. В качестве критерия оптимальности принимают минимальную необходимую площадь, которую займут все резисторы схемы и которой соответствует значение оптимума:

, (1.7.38)

где R_i – номинальное значение сопротивления i-го резистора;

n – число резисторов в схеме.

Если таким путем трудно получить оптимальное значение сопротивления , то выбирают ближайшее значение , удовлетворяющее требованиям на резисторы. Выбранное значение должно удовлетворять условию . При этом составляющие полной погрешности должны находиться в пределах: , .

Если отношение в схеме, расположенной на одной подложке, превышает 50, то целесообразно изготовлять резисторы из двух материалов. Для этого все резисторы разбивают на две группы и для каждой группы определяют по формуле (1.7.1).

После этого выбирают удельную емкость диэлектрической пленки для конденсаторов по наименьшему ее значению при условии удовлетворения всех остальных параметров пленки требованиям на конденсаторы.

Для определения минимально допустимой площади, занимаемой гибридной ИМС, необходимо провести расчет площади под каждый вид пленочных элементов (резисторов, конденсаторов, контактных площадок) и дискретных компонентов.

Предварительный анализ электрической схемы и технологии изготовления с учетом пооперационного контроля позволяет установить суммарное число контактных площадок для всей микросхемы. При этом важно помнить, что в большинстве случаев каждый пленочный элемент снабжают двумя контактными площадками для внутрисхемного соединения (исключение составляют RC -структуры с распределенными параметрами). Кроме того, в микросхеме имеется ряд контактных площадок, требуемых для монтажа компонентов и сборки ИМС в корпус.

Технологические и конструктивные данные и ограничения позволяют оценить минимально допустимые геометрические размеры контактных площадок в зависимости от способов формирования элементов, монтажа и сборки ИМС.

Общая площадь под контактные площадки:

, (1.7.39)

где S_i – площадь i-й площадки;

m – число площадок.

Общая площадь под пленочные конденсаторы:

, (1.7.40)

где Сi – емкость i-го конденсатора;

n – число конденсаторов.

Расчет площади, занимаемой резисторами, производят, как правило, двумя способами: исходя из точности изготовления либо в зависимости от мощности рассеяния. Для этого все резисторы разбивают на две группы: прецизионные и мощные. Площадь резистора в зависимости от точности его геометрии и исходных данных определяется выражением

(1.7.41)

Здесь  – коэффициент формы; l, b – абсолютные погрешности геометрических размеров резистора, определяемые методом изготовления ИМС.

Площадь резистора в зависимости от мощности рассеяния резистора равна

, (1.7.42)

где Pi и P_o – номинальная и допустимая удельная мощности рассеяния резистора.

Площадь, занимаемая всеми резисторами ИМС, равна сумме площадей, занимаемых отдельными резисторами:

(1.7.43)

(n₁ – число прецизионных резисторов; n₂ – число мощных резисторов).

Определению площади под компоненты предшествует их выбор. Выбор компонентов осуществляют на основе требуемых значений электрических параметров и условий эксплуатации с учетом способа их монтажа. Общим требованием к компонентам являются минимальные габариты и единый способ монтажа.

В гибридных ИМС наибольшее применение нашли керамические конденсаторы К10-17, К10-9 и электролитические конденсаторы К53; бескорпусные транзисторы; диоды и их сборки; кристаллы полупроводниковых ИМС различных серий. Площадь, занимаемая компонентом, зависит от его типоразмера и способа монтажа.

Площадь платы, необходимая для размещения топологической структуры ИМС, определяют исходя из того, что полезная площадь платы (площадь, занимаемая элементами и компонентами) несколько меньше ее полной площади, что обусловлено технологическими требованиями и ограничениями. С этой целью принимают коэффициент использования платы k_s, значение которого в зависимости от сложности схемы и способа ее изготовления составляет 0,4-0,6.

С учетом k_s и площади , занимаемой компонентами, площадь платы гибридной ИМС определяют из выражения

(1.7.44)

По данным расчета с помощью выражения (1.7.7) выбирают плату с необходимыми размерами согласно таблице 1.5.6. Окончательные размеры платы устанавливают после проектирования топологической структуры – на этапе разработки конструкции ИМС. Расчет по формулам (1.7.2.)-(1.7.7.) позволяет ориентировочно определить конструктивные признаки для корпуса ИМС, по которым выбирают типоразмер подходящего корпуса из числа нормализованных.

Степень интеграции определяется числом слоев различных материалов, наносимых для реализации пассивной части гибридной ИМС.

Разработка коммутационной схемы соединений (второй этап проектирования) является составной частью топологического проектирования и включает в себя преобразование исходной электрической схемы с целью составления схематического плана размещения элементов и соединений между ними на подложке микросхемы. На этом этапе применяют элементы анализа схем с помощью графов, что требует соблюдения следующих принципов, кроме основных:

1. упрощения конфигурации электрической схемы для уменьшения числа пересечений и изгибов, получения прямых линий и улучшения субъективного восприятия;

2. выделения на преобразованной схеме пленочных и навесных элементов;

3. снабжения электрической схемы внутренними и периферийными контактными площадками;

4. рассмотрения пассивной части ИМС как графа, вершинами которого являются контактные площадки, а ребрами – пассивные элементы электрической цепи.

Использование элементов графического преобразования осуществляют перекладыванием ребер графа до тех пор, пока число пересечений внутрисхемных соединений не будет сведено к минимуму. При этом одновременно решают задачу взаимного расположения элементов и соединений с учетом равномерного распределения мощности рассеяния, равномерного расположения периферийных контактных площадок и кратчайшего пути прохождения электрических сигналов.

В качестве примера на рис. 1.7.1,а приведена исходная электрическая схема, а на рис.1.7.1,б, в – варианты ее преобразования. Преобразованная схема (рис. 1.7.1,б) отличается от исходной более простой конфигурацией с меньшим числом пересечений соединений, которые все же имеются. Дальнейшее преобразование с целью устранения этого недостатка и учета конструктивных требований приводит к схеме рис. 1.7.1, в, где цифрами обозначены номера выводов корпуса, соответствующие буквенным обозначениям входных и выходных цепей на исходной схеме.

а) б) в)

Рисунок 1.7.4 Электрическая схема: а – исходная; б – после преобразования графа пассивной части; в – после преобразования с учетом конструктивных требований

На преобразованных схемах размещение периферийных контактных площадок отвечает двустороннему расположению выводов корпуса ИМС. Пассивные элементы и внутрисхемные соединения, выполняемые групповыми методами, выделяются более толстыми линиями. Тонкопленочные резисторы изображены так, что большим номинальным значениям сопротивлений соответствуют более узкие и длинные конфигурации. Такое преобразование облегчает предварительную оценку соотношений топологических зон на начальном этапе проектирования. Отметим, что на преобразованных схемах допускаются и другие обозначения элементов.

Данные, полученные в результате выполнения первых двух этапов, являются исходной информацией для проектирования топологии ИМС.