Конструирование микросхем
Конструирование микросхем и
микропроцессоров
Задание на курсовое
проектирование
В данном
курсовом проекте требуется разработать комплект конструкторской документации
интегральной микросхемы К 237 ХА2. По функциональному назначению
разрабатываемая микросхема представляет собой усилитель промежуточной частоты.
Микросхема должна быть изготовлена по тонкопленочной технологии методом
свободных масок (МСМ) в виде гибридной интегральной микросхемы (ГИМС).
Рис.
1. Схема электрическая принципиальная
Таблица 1. Номиналы элементов схемы:
Элемент
|
Номинал
|
Элемент
|
Номинал
|
Элемент
|
Номинал
|
Элемент
|
Номинал
|
R1
|
950 Ом
|
R7
|
4,25 кОм
|
R13
|
1 кОм
|
R19
|
1 кОм
|
R2
|
14 кОм
|
R8
|
12,5 кОм
|
R14
|
3,5 кОм
|
C1
|
3800 пФ
|
R3
|
45 кОм
|
R9
|
500 Ом
|
R15
|
10 кОм
|
VT1-VT8
|
КТ 312
|
R4
|
35 кОм
|
R10
|
3 кОм
|
R16
|
3,5 кОм
|
E
|
7,25 В
|
R5
|
12,5 кОм
|
R11
|
10 кОм
|
R17
|
2,5 кОм
|
|
|
R6
|
950 Ом
|
R12
|
500 Ом
|
R18
|
1 кОм
|
|
|
Для подачи
на схему входного сигнала и снятия выходного к микросхеме требуется подключить
некоторое количество навесных элементов. Одна из возможных схем включения
приведена на следующем рисунке.
Рис. 2. Возможная схема включения
Таблица 2. Номиналы элементов схемы включения
Элемент
|
Номинал
|
Элемент
|
Номинал
|
RA
|
8,2 кОм
|
CB
|
1 мкФ
|
43 Ом
|
CC
|
0,033 мкФ
|
RC
|
2,2 кОм
|
CD
|
0,015 мкФ
|
RD
|
1,5 кОм
|
CE
|
4700 пФ
|
CA
|
3300 пФ
|
CF
|
3300 пФ
|
Технические требования:
Конструкцию
микросхемы выполнить в соответствии с электрической принципиальной схемой по
тонкопленочной технологии методом свободных масок в корпусе.
Микросхема
должна удовлетворять общим техническим условиям и удовлетворять следующим
требованиям:
¨ предельная
рабочая температура - 150° С;
¨ расчетное
время эксплуатации - 5000 часов;
¨ вибрация
с частотой - 5-2000 Гц;
¨ удары
многократные с ускорением 35;
¨ удары
однократные с ускорением 100;
¨ ускорения
до 50.
Вид
производства - мелкосерийное, объем - 5000 в год.
Аннотация
Целью
данного курсового проекта является разработка интегральной микросхемы в
соответствии с требованиями, приведенными в техническом задании. Микросхема
выполняется методом свободных масок по тонкопленочной технологии.
В процессе
выполнения работы мы выполнили следующие действия и получили результаты:
- произвели
электрический расчет схемы с помощью программы электрического моделирования
“VITUS”, в результате которого мы получили необходимые данные для расчета
геометрических размеров элементов;
- произвели
расчет геометрических размеров элементов и получили их размеры, необходимые для
выбора топологии микросхемы;
- произвели
выбор подложки для микросхемы и расположили на ней элементы, а также в
соответствии с электрической принципиальной схемой сделали соединения между
элементами;
- выбрали
корпус для микросхемы с тем расчетом, чтобы стандартная подложка с размещенными
элементами помещалась в один из корпусов, рекомендуемых ГОСТом 17467-79.
Введение
Приведем
принципы работы и основные характеристики разрабатываемой микросхемы:
Микросхема К
237 ХА 2 предназначена для усиления и детектирования сигналов ПЧ (промежуточной
частоты) радиоприемных устройств не имеющих УКВ диапазона, а также для усиления
напряжения АРУ (автоматической регулировки усиления). Широкополосный усилитель
ПЧ состоит из регулируемого усилителя на транзисторах Т4, Т5 и Т6. Усиленный
сигнал поступает на детектор АМ-сигналов (амплитудно-модулированных сигналов),
выполненный на составном транзисторе Т7, Т8. Низкочастотный сигнал с резистора
R19, включенного в эмиттерную цепь, подается через внешний фильтр на
предварительный усилитель НЧ (низкой частоты), а также через резистор R15 на
базу транзистора Т3, входящего в усилитель АРУ. Усиленное напряжение АРУ
снимается с эмиттера транзистора Т2. Изменение напряжения на эмиттере
транзистора Т2 вызывает изменение напряжения питания транзистора Т1, а
следовательно и его усиления.
На частоте
465 кГц коэффициент усиления усилителя ПЧ составляет 1200 - 2500. Коэффициент
нелинейных искажений не превышает 3%. Если входной сигнал меняется от 0,05 до 3
мВ, то изменение выходного напряжения не превышает 6дБ. Напряжение на выходе
системы АРУ при отсутствии выходного сигнала составляет 3 - 4,5 В. Напряжение
питания составляет 3,6 - 10 В. Потребляемая мощность не более 35 мВт.
Анализ задания на проект
Микросхема
усиления промежуточной частоты (ПЧ) К 237ХА2 может быть изготовлена по
тонкопленочной технологии с применением навесных элементов. Конструкция
микросхемы выполняется методом свободной маски, при этом каждый слой
тонкопленочной структуры наносится через специальный трафарет. На поверхности
подложки сформированы пленочные резисторы, конденсаторы, а также контактные площадки
и межэлементные соединения. Пленочная технология не предусматривает
изготовление транзисторов, поэтому транзисторы выполнены в виде навесных
элементов, приклеенных на подложку микросхемы. Выводы транзисторов
привариваются к соответствующим контактным площадкам.
Электрический расчет
принципиальной схемы
Электрический
расчет производился с помощью системы “VITUS”.
Система
VITUS - это компьютерное инструментальное средство разработчика электронных
схем. Система VITUS позволяет рассчитать токи, напряжения, мощности во всех
узлах и элементах схемы, частотные и спектральные характеристики схемы. Система
VITUS объединяет в себе компьютерный аналог вольтметров, амперметров и
ваттметров постоянного и переменного тока, генераторов сигналов произвольной формы,
многоканального осциллографа, измерителя частотных характеристик.
Система VITUS :
- позволяет
описывать принципиальную схему как в графическом виде, так и на встроенном
входном языке;
- выводит
требуемые результаты расчета в графическом виде;
- снабжена
справочником параметров элементов;
- работает
под управлением дружественного интерфейса.
Основной
задачей электрического расчета является определение мощностей, рассеиваемых
резисторами и рабочих напряжений на обкладках конденсаторов. В результате расчета
были получены реальные значения мощностей и напряжений, которые являются
исходными данными для расчета геометрических размеров элементов.
Результаты
расчета приводятся в расчете геометрических размеров элементов.
Данные для расчета
геометрических размеров тонкопленочных элементов
Таблица 3. Данные для расчета
резисторов
Резистор
|
Рном , Вт
|
gR
|
|
Резистор
|
Рном , Вт
|
gR
|
|
R1
|
1,41E-6
|
0,2
|
0,1
|
R11
|
4,46E-3
|
0,22
|
0,1
|
R2
|
3,36E-8
|
0,22
|
0,1
|
2,23E-4
|
0,2
|
0,1
|
R3
|
2,47E-4
|
0,22
|
0,1
|
R13
|
1,79E-5
|
0,2
|
0,1
|
R4
|
1,98E-4
|
0,22
|
0,1
|
R14
|
1,05E-2
|
0,2
|
0,1
|
R5
|
8,58E-6
|
0,22
|
0,1
|
R15
|
3,91E-10
|
0,22
|
0,1
|
R6
|
5,35E-13
|
0,2
|
0,1
|
R16
|
1,27E-6
|
0,2
|
0,1
|
R7
|
3,21E-5
|
0,2
|
0,1
|
R17
|
3,46E-4
|
0,2
|
0,1
|
R8
|
3,30E-3
|
0,22
|
0,1
|
R18
|
1,95E-4
|
0,2
|
0,1
|
R9
|
7,4E-5
|
0,2
|
0,1
|
R19
|
1,97E-4
|
0,2
|
0,1
|
R10
|
4,51E-5
|
0,2
|
0,1
|
|
|
|
|
Таблица 4. Данные для расчета
конденсаторов
Конденсатор
|
Uраб , В
|
|
|
C1
|
2,348
|
0,115
|
Технологическая часть
Последовательность технологического процесса
1. Изготовление масок;
2. Подготовка подложек;
3. Формирование тонкопленочной структуры;
4. Подгонка номиналов;
5. Резка пластин на кристаллы;
6. Сборка;
7. Установка навесных элементов;
8. Контроль параметров;
9. Корпусная герметизация;
10.Контроль характеристик;
11.Испытания;
12.Маркировка;
13.Упаковка.
Методы формирования
тонкопленочных элементов
Основными
методами нанесения тонких пленок в технологии ГИМС являются: термическое
испарение в вакууме, катодное, ионно-плазменное и магнетронное распыления.
Термическое
испарение в вакууме 10-3 - 10 -4 Па предусматривает нагрев
материала до температуры, при которой происходит испарение, направленное
движение паров этого материала и его конденсация на поверхности подложки.
Рабочая камера вакуумной установки (Рис. 5, а) состоит из металлического или
стеклянного колпака 1, установленного на опорной плите 8. Резиновая прокладка 7
обеспечивает вакуум-плотное соединение. Внутри рабочей камеры расположены
подложка 4 на подложкодержателе 3, нагреватель подложки 2 и испаритель вещества
6. Заслонка 5 позволяет в нужный момент позволяет прекращать попадание
испаряемого вещества на подложку. Степень вакуума в рабочей камере измеряется
специальным прибором - вакуумметром.
Рис.
5. Методы осаждения тонких пленок а) - термическое испарение в вакууме; б) -
катодное распыление; в) - ионно-плазменное распыление; 1 - колпак; 2 -
нагреватель подложки; 3 - подложкодержатель; 4 - подложка; 5 - заслонка; 6 -
испаритель; 7 - прокладка; 8 - опорная плита; 9 - катод-мишень; 10 - анод; 11 -
термокатод
Катодным
(ионным) распылением (Рис. 5, б) называют процесс, при котором в диодной
системе катод-мишень 9, выполненный из распыляемого материала, оседающие в виде
тонкой пленки на подложке 4. Ионизация инертного газа осуществляется
электронами, возникающими между катодом-мишенью 9 и анодом 10 при U= 3-5 кВ и
давлении аргона 1-10 Па.
При
ионно-плазменном распылении (Рис. 5, в) в систему анод 10 - катод-мишень 9
вводят вспомогательный источник электронов (термокатод 11). Перед началом
работы рабочая камера 1 откачивается до вакуума 10-4 Па и на термокатод 11 подается ток, достаточный для
разогрева его и создания термоэлектронного тока (термоэлектронная эмиссия).
После разогрева термокатода 11 между ним и анодом 10 прикладывается U=200 В, а
рабочая камера наполняется инертным газом (Ar) до давления 10-1 - 10-2 Па - возникает газовый плазменный разряд. Если подать
отрицательный потенциал на катод-мишень 9 (3-5 кВ), то положительные ионы,
возникающие вследствие ионизации инертного газа электронами, будут
бомбардировать поверхность катода-мишени 9, распылять его, а частицы материала
оседать на подложке 4, формируя тонкую пленку.
Определенная
конфигурация элементов ИМС получается при использовании специальных масок,
представляющих собой моно- или биметаллические пластины с прорезями,
соответствующими топологии (форме и расположению) пленочных элементов.
Для
формирования сложных ТПЭ большой точности применяют фотолитографию, при которой
сплошные пленки материалов ТПЭ наносят на подложку, создают на ее поверхности
защитную фоторезистивную маску и вытравливают незащищенные участки пленки.
Существует несколько разновидностей этого метода. Например, рпи прямой
фотолитографии вначале на диэлектрическую подложку наносят сплошную пленку
резистивного материала и создают защитную фоторезистивную маску, черз которую
травят резистивный слой. Затем эту маску удаляют и сверху наносят сплошную
пленку металла (например, алюминия). После создания второй фоторезистивной
маски и травления незащищенного алюминия на поверхности подложки остаются
полученные ранее резисторы, а также сформированные проводники и контактные
площадки, закрытые фоторезистивной маской.
Удалив
ненужную более маску, на поверхность наносят сплошную защитную пленку
(например, SiO2) и в третий
раз создают фоторезистивную маску, открывая участки защитного покрытия над
контактными площадками. Протравив защитное покрытие в этих местах и удалив
фоторезистивную маску, получают плату ГИМС с пленочными элементами и открытыми
контактными площадками.
Использованная литература
1. Методические указания к выполнению
курсового проекта по курсу “Конструирование микросхем и микропроцессоров”,
МИЭМ, 1988
2. Романычева Э.Т., Справочник: ”Разработка
и оформление конструкторской документации РЭА”, Радио и связь, 1989