Гибридные микросхемы. Расчет пленочных конденсаторов

Проектирование топологии гибридных микросхем, тонко- и толстопленочных, их тепловой режим и характер паразитных связей. Конструкции пленочных конденсаторов и используемые при их изготовлении материалы. Пример расчета параметров конденсатора данного типа.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

Введение

Интегральная микросхема

Современные интегральные микросхемы, предназначенные для поверхностного монтажа.

Интегральная (engl. Integrated circuit, IC, microcircuit, microchip, silicon chip, or chip), микросхема (ИС, ИМС, м/сх), чип, микрочип (англ. chip - щепка, обломок, фишка) - микроэлектронное устройство - электронная схема произвольной сложности, изготовленная на полупроводниковом кристалле (или плёнке) и помещённая в неразборный корпус. Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой (МС) - ИС, заключённую в корпус. В то же время выражение «чип компоненты» означает «компоненты для поверхностного монтажа» в отличие от компонентов для традиционной пайки в отверстия на плате. Поэтому правильнее говорить «чип микросхема», имея в виду микросхему для поверхностного монтажа. В настоящий момент (2006 год) большая часть микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа.

История

В 1958 году двое учёных, живущих в совершенно разных местах, изобрели практически идентичную модель интегральной схемы. Один из них, Джек Килби, работал на Texas Instruments, другой, Роберт Нойс, был одним из основателей небольшой компании по производству полупроводников Fairchild Semiconductor. Обоих объединил вопрос: «Как в минимум места вместить максимум компонентов?». Транзисторы, резисторы, конденсаторы и другие детали в то время размещались на платах отдельно, и учёные решили попробовать их объединить в один монолитный кристалл из полупроводникового материала. Только Килби воспользовался германием, а Нойс предпочёл кремний. В 1959 году они отдельно друг от друга получили патенты на свои изобретения - началось противостояние двух компаний, которое закончилось мирным договором и созданием совместной лицензии на производство чипов. После того как в 1961 году Fairchild SemiconductorCorporation пустила интегральные схемы в свободную продажу, их сразу стали использовать в производстве калькуляторов и компьютеров вместо отдельных транзисторов, что позволило значительно уменьшить размер и увеличить производительность.

Первая советская полупроводниковая микросхема была создана в 1961 г. в Таганрогском радиотехническом институте, в лаборатории Л.Н. Колесова.

Первая в СССР полупроводниковая интегральная микросхема была разработана (создана) на основе планарной технологии, разработанной в начале 1960 года в НИИ-35 (затем переименован в НИИ «Пульсар») коллективом, который в дальнейшем был переведён в НИИМЭ (Микрон). Создание первой отечественной кремниевой интегральной схемы было сконцентрировано на разработке и производстве с военной приёмкой серии интегральных кремниевых схем ТС-100 (37 элементов - эквивалент схемотехнической сложности триггера, аналога американских ИС серии SN-51 фирмы Texas Instruments). Образцы-прототипы и производственные образцы кремниевых интегральных схем для воспроизводства были получены из США. Работы проводились НИИ-35 (директор Трутко) и Фрязинским заводом (директор Колмогоров) по оборонному заказу для использования в автономном высотомере системы наведения баллистической ракеты. Разработка включала шесть типовых интегральных кремниевых планарных схем серии ТС-100 и с организацией опытного производства заняла в НИИ-35 три года (с 1962 по 1965 год). Ещё два года ушло на освоение заводского производства с военной приёмкой во Фрязино (1967 год).

Уровни проектирования.

· Физический - методы реализации одного транзистора (или небольшой группы) в виде легированных зон на кристалле;

· Электрический - принципиальная электрическая схема (транзисторы, конденсаторы, резисторы и т.п.);

· Логический - логическая схема (логические инверторы, элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ и т.п.);

· Схемо- и системотехнический уровень - схемо- и системотехническая схемы (триггеры, компараторы, шифраторы, дешифраторы, АЛУ и т.п.);

· Топологический - топологические фотошаблоны для производства;

· Программный уровень (для микроконтроллеров и микропроцессоров) - команды ассемблера для программиста.

В настоящее время большая часть интегральных схем разрабатывается при помощи САПР, которые позволяют автоматизировать и значительно ускорить процесс получения топологических фотошаблонов.

Классификация

Степень интеграции

В СССР были предложены следующие названия микросхем в зависимости от степени интеграции (указано количество элементов для цифровых схем):

· Малая интегральная схема (МИС) - до 100 элементов в кристалле;

· Средняя интегральная схема (СИС) - до 1000 элементов в кристалле;

· Большая интегральная схема (БИС) - до 10000 элементов в кристалле;

· Сверхбольшая интегральная схема (СБИС) - до 1 миллиона элементов в кристалле;

· Ультрабольшая интегральная схема (УБИС) - до 1 миллиарда элементов в кристалле;

· Гигабольшая интегральная схема (ГБИС) - более 1 миллиарда элементов в кристалле.

В настоящее время название ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Pentium 4 содержат пока несколько сотен миллионов транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10000, относят к классу СБИС, считая УБИС его подклассом.

Технология изготовления.

Полупроводниковая микросхема - все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия).

· Плёночная микросхема - все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок:

· толстоплёночная интегральная схема;

· тонкоплёночная интегральная схема.

· Гибридная микросхема - кроме полупроводникового кристалла содержит несколько бескорпусных диодов, транзисторов и(или) других электронных компонентов, помещённых в один корпус.

Вид обрабатываемого сигнала.

· микросхема аналоговая;

· микросхема цифровая;

· Микросхема аналого-цифровая.

Аналоговые микросхемы - входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания.

Цифровые микросхемы - входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определённый диапазон напряжения. Например, для микросхем ТТЛ - логики при питании +5 В диапазон напряжения 0…0,4 В соответствует логическому нулю, а диапазон 2,4…5 В соответствует логической единице. Для микросхем ЭСЛ - логики при питании ?5,2 В: логическая единица - это ?0,8…?1,03 В, а логический ноль - это ?1,6…?1,75 В.

Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов. По мере развития технологий получают всё большее распространение.



1. Общая часть. Проектирование топологии гибридных микросхем

1.1 Особенности топологии и этапы разработки

В основу разработки гибридных микросхем положены функционально-узловой метод конструирования и групповые методы изготовления. Это означает, что гибридную микросхему выполняют в виде функционально - законченного узла, предназначенного для решения определенной задачи дискретного или непрерывного преобразования электрических сигналов.

Разработка гибридных микросхем представляет собой комплекс мероприятий, направленных на создание комплекта конструкторской документации, предназначенного для изготовления и контроля микросхем.

Исходными данными для проектирования являются:

1) техническое задание для разработки микросхемы или серии микросхем. Техническое задание включает технические требования (функцию, электрические характеристики и параметры разрабатываемой микросхемы, напряжение питания и т.д.); эксплуатационные требования (по климатическим и механическим воздействиям); требования по надежности (время безотказной работы, средний срок службы и т.д.); требования к сохраняемости (в складских условиях, в полевых условиях); конструктивные требования (тип и размер корпуса, масса, требования к выводам и т.д.);

2) принципиальная электрическая схема, разрабатываемая на основании технического задания и отработанная с учетом ее реализации в виде пленочной гибридной микросхемы;

3) технологические возможности и ограничения, т.е. сведения о технологических процессах и оборудовании, которые могут использоваться для изготовления гибридных микросхем.

Проектирование гибридных микросхем осуществляется в такой последовательности:

1) анализ технического задания;

2) расчет пленочных пассивных элементов с учетом схемотехнических требований и технологических возможностей;

3) разработка коммутационной схемы и определение площади подложки;

4) разработка эскиза топологии;

5) контрольно-проверочные расчеты;

6) разработка окончательного варианта топологии;

7) разработка послойных черте...