Конструирование ГИМС

                                     Содержание                                                 

Введение                                                                                                       4

1 Разработка платы ГИМС

1.1 Выбор материалов для подложки, плёночных элементов и плёночных  проводников                                                                                                5

1.2 Выбор конструкции плёночных элементов и описание  методики их расчета   10

1.3 Расчёт топологических размеров элементов                                       13

1.4 Выбор размера платы и разработка топологии платы                        14

Заключение                                                                                                 19

Список использованных источников                                                        20

Приложения                                                      

1 Приложение А. ГИМС. Схема электрическая принципиальная.

2 Приложение Б. ГИМС. Топологический чертёж.

3 Приложение В. ГИМС. Чертёж резистивного слоя.

Введение

Задача курсового проекта - разработка конструкции платы ГИС.

Используя данные технического задания и принципиальную электрическую схему, в соответствии с приложением А, необходимо разработать конструкцию платы гибридной ИМС, т.е.:

1.1выбрать материалы для подложки, пленочных элементов и пленочных проводников;

1.2  выбрать конструкцию пленочных элементов;

1.3 рассчитать топологические размеры пленочных элементов;

1.4 выбрать размер платы и разработать топологию платы;

1.5 разработать необходимую конструкторскую документацию.

В техническом задании дана принципиальная электрическая схема устройства.

Электрическая схема включает в себя 13 резисторов R1, R2, R3, R4, R5,   R6, R7, R8 ,R9, R10, R11, R12, R13 со следующими характеристиками                                
 R = 1100:12000 Ом, γR= 15%, P =10:25 мВт. Также данная схема имеет навесные элементы: 9 транзисторов и 1 микросхему, имеющие гибкие проволочные вывода, выполненные из золота диаметром 40 мкм. Метод сборки – термокомпрессионная сварка.

Тонкие пленки формируют методом термовакуумного напыления с помощью метода свободной маски.

Данная гибридная ИМС является маломощной и имеет небольшое быстродействие. Исходя из этого, выбирают материалы элементов схемы.

При выборе резистивного материала следует учитывать, что  αR<=2*10-4 1/ºС, γRст<=3%, а элементы должны иметь оптимальные размеры.

Следующим этапом является выбор конструкции элементов, которые мы будем располагать на плате. Выбранная конструкция должна соответствовать выбранным параметрам элементов. Далее выполняем расчет размеров пленочных элементов схемы, выбор размера платы по формуле и разработку топологии платы.

1.1 Выбор материалов для подложки, пленочных элементов и плёночных проводников

Подложки ГИС служат основанием для расположения пленочных  и навесных элементов, а также для теплоотвода. Для изготовления подложек ГИС применяют материалы, приведённые в таблице 1.1

Таблица  1.1 Электрофизические параметры подложек ГИС

К материалу подложки независимо от конструкции и назначения микросхемы предъявляют следующие требования:

1.                 высокое качество обработки  рабочей поверхности, обеспечивающие чёткость и прочность рисунка схемы;

2.                 высокая механическая прочность при относительно небольшой толщине;

3.                 минимальная пористость;

4.                 высокая теплопроводность;

5.                 химическая стойкость;

6.                 высокое удельное сопротивление;

7.                 близость коэффициентов термического расширения подложки и наносимых на неё плёнок;

8.                 низкая стоимость исходного материала и технологии его обработки.

Недостатком керамики является значительная шероховатость поверхности, что затрудняет получение воспроизводимых номиналов тонкоплёночных элементов. По этой причине керамику 22ХС используют только для толстоплёночных ГИС. Увеличение класса чистоты обработки поверхности путём глазурования керамики слоем бесщелочного стекла приводит к значительному уменьшению теплопроводности.

Для маломощных ГИС можно применять бесщелочные боросиликатные стёкла С41-1 и С48-3, а также ситаллы. Стёкла имеют низкую теплопроводность. Ситалл в 2-3 раза прочнее стекла. Так же он хорошо обрабатывается, выдерживает резкие перепады температуры, обладает высоким электрическим сопротивлением, газонепроницаем, имеет высокую сопротивляемость к истиранию, высокую химическую стойкость к кислотам, очень малую пористость, дает незначительную объемную усадку, обладает малой газоотдачей при высоких температурах.

Из приведённых выше материалов подложек я выбрал ситалл, так как он более других соответствует требованиям, предъявляемым к подложкам. Ситалл - стеклокерамический материал, получаемый термообработкой стекла. Он достаточно легко поддается обработке: его можно прессовать, вытягивать, прокатывать и отливать центробежным способом.

Пленочные резисторы конструктивно состоят из резистивной пленки определенной конфигурации и контактных площадок в соответствии с приложением В. Параметры тонкопленочных резисторов определяются свойствами применяемых резистивных материалов, толщиной резистивной пленки и условиями ее формирования. Для создания ГИС необходимы резистивные пленки с удельным поверхностным сопротивлением ρS от десятков до десятков тысяч Ом на квадрат. Чем меньше толщина пленок, тем выше ρS, но одновременно повышается ТКР, а также ухудшается временная и температурная стабильность пленок.

В качестве резистивных материалов используют чистые металлы и сплавы с высоким электрическим сопротивлением, а также специальные резистивные материалы – керметы, которые состоят из частиц металла и диэлектрика. Широко распространены пленки хрома и тантала. Из сплавов часто используют нихром, имеющий малое значение ρS по сравнению с пленками чистых металлов. При сравнительно малом ТКР и высокой стабильности воспроизведения удельных поверхностных сопротивлений диапазон номиналов сплавов ρS достаточно
 широк: 50 Ом/□ – 50 кОм/□.Параметры резистивных материалов  представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2  Параметры материалов пленочных резисторов

К плёночным резисторам предъявляются следующие основные требования:

1.           стабильность во времени;

2.           малая занимаемая площадь на подложке;

3.           низкий температурный коэффициент сопротивления;

4.           требуемая мощность рассеяния;

5.           низкий уровень шумов;

6.           малые значения паразитных параметров.

В техническом задании имеются резисторы со следующими характеристиками:  R = 1100:12000 Ом, γR = 15%, P=10:25мВт. Наиболее часто для материалов резисторов используют хром, нихром, тантал, нитрид тантала, сплавы МЛТ-3М и РС-3001. Нихром, тантал и нитрид тантала имеют небольшое значение ρs: не более 300 Ом/□, что при моём интервале сопротивлений даст большие геометрические размеры элементов. У хрома значение Р0=1Вт/см, что увеличит значение bp, а значит
 и размеры моих резисторов. Сплав МЛТ-3М имеет ρs всего 500 Ом/□,
 а РС-3001 - 1000÷2000 Ом/□, что даст мне возможность получить резисторы с оптимальными размерами. Так же РС-3001 имеет значение γRст всего 0.5%.
В силу приведённых выше преимуществ я выбрал сплав РС-3001.

Элементы пленочной ГИС объединяются в единую систему с помощью системы пленочных коммутационных проводников, которые в местах соединения с другими пленочными элементами образуют контактные пары. Контактные площадки в ГИС необходимы для присоединения внешних выводов ГИС и выводов навесных элементов.

К проводникам предъявляется масса требований: они должны с минимальными потерями проводить напряжение питания к функциональным компонентам ГИС, с минимальными искажениями передавать сигналы, обеспечивать надежный контакт с элементами гибридной интегральной схемы. Требования, предъявляемые к пленочным проводникам и контактным площадкам, в ряде случаев являются противоречивыми. Например, с увеличением ширины проводника уменьшается индуктивность, но растёт ёмкость относительно близлежащих элементов.

При изготовлении коммутационных соединений и контактных площадок тонкопленочной ГИС часто применяют многослойную структуру, состоящую из подслоя, токопроводящего и защитного слоев. Подслой, выполняемый из нихрома, хрома, ванадия и других материалов, улучшает адгезию токопроводящих слоев с подложкой. Для проводящих слоёв хорошо подходят золото, медь, тантал, Al. Верхний слой многослойной структуры выполняется из никеля, серебра и служит для защиты от внешних воздействий. Для защиты проводников и контактных площадок иногда производят их облуживание припоем. Из проводящих материалов часто применяются золото, медь, алюминий. Золото – очень дорогой материл, так же он требует нанесения подслоя из нихрома, его используют в микросхемах повышенной надёжности, в моём же случае это не обязательно. Медь для защиты от коррозии нужно обязательно покрывать слоем золота, никеля или серебра, что повысит стоимость. Для пайки медные контактные площадки облуживают погружением схемы в припой, но тогда надо защищать остальные плёночные элементы. В качестве материала проводников я выбрал алюминий. Он обладает высокой коррозийной стойкостью, никелируют его только для пайки. В моём случае присоединение выводов осуществляется сваркой, а потому алюминий я могу использовать без дополнительных слоёв. Так же он дёшев, широко распространён. В соответствии с таблицей 1.2 материалом контактных площадок для РС-3001 является структура: золото с подслоем нихрома. Так как я  для этой цели использую алюминий, я обязан увеличить значение γRК  на 1%.

1.2 Выбор конструкции пленочных элементов и описание методики их расчета

1.2.1 Резистор.

Пленочный резистор конструктивно состоит из резистивной пленки, имеющей определенную конфигурацию, и контактных площадок.    На рисунке 1.1 представлены наиболее часто применяемые их конфигурации: на рисунке 1.1 а - резистор прямоугольной формы, подходящий для резисторов с небольшим сопротивлением и коэффициентом формы меньше 10, на рисунке 1.1 б – резистор типа меандр. Данную конфигурацию используют для резисторов с большим сопротивлением и коэффициентом формы больше 10. Во всех конфигурациях отсутствуют наклонные кривые линии различных радиусов, поэтому изготовление фотошаблонов резистивных слоев ГИС существенно упрощается.

Страницы: 1, 2