Список использованных литературных источников 3 страница

Расчетную длину резистора определяют по формуле:

(2.34)

где N_ИЗГ – количество изгибов резистора на угол 90°;

k₁, k₂ – поправочные коэффициенты, учитывающие сопротивление контактных областей резистора (рисунок 2.7), зависящие от конфигурации контактных областей резистора, соотношения размеров контактного окна l ₁, контактной области l ₂ и реальной ширины резистора b с каждой его стороны;

n₁, n₂ – число контактных площадок (обычно n = 2).

Рисунок 2.7 – Значения коэффициентов k₁ и k₂ для расчета диффузионных резисторов при различных конструкциях контактных областей

Следует учитывать, что реальная длина резистора l на кристалле будет меньше топологической длины l _ТОП на чертеже топологии за счет увеличения геометрических размеров контактных областей резистора с обоих концов в результате боковой диффузии. Поэтому сначала оценивают промежуточное значение длины резистора

(2.35)

За топологическую длину резистора l_ТОП принимают ближайшее к l_ПРОМ значение длины, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии.

Реальная длина резистора на кристалле

(2.36)

Отклонение размеров резистивной области за счет погрешностей Δ _ТРАВ и Δ _У следует обязательно учитывать при определении величин l ₁ и l ₂ и выборе коэффициентов k₁ и k₂.

При окончательном определении топологических значений b_ТОП и l_ТОП рассчитывают сопротивление спроектированного резистора и погрешность, используя реальные значения ширины и длины резистора на кристалле.

Сопротивление резисторов, показанных на рисунке 2.4, определяют по формулам:

для резисторов рисунок 2.4 а, б, г, д

(2.37)

для резистора рисунок 2.4, в

(2.38)

для резистора рисунок 2.4, е

(2.39)

где l_Σ - суммарная длина прямолинейных участков; для пинч-резистора рисунок 2.5 ж

(2.40)

где ρ `_S - поверхностное сопротивление базового слоя, ограниченного эмиттерным слоем;

ρ _S - поверхностное сопротивление базового слоя.

2.4. Проектирование и расчет конденсаторов

Характеристики конденсаторов полупроводниковых ИМС невысоки, поэтому при проектировании электрической схемы стремятся избежать их применения. Конденсаторы в полупроводниковой ИМС могут быть выполнены как диффузионные, МДП - конденсаторы, тонкопленочные. Роль диэлектрика могут выполнять обедненные слои обратно смещенных р-n переходов или пленка окисла кремния, роль обкладок выполняют легированные полупроводниковые области или напыленные металлические пленки.

Для формирования диффузионных конденсаторов может быть использован любой из р - n переходов транзисторной структуры. На рис. 2.8 представлены различные варианты структур диффузионных конденсаторов. В табл. 2.4 приведены основные характеристики интегральных конденсаторов.

Недостатком диффузионных конденсаторов является зависимость емкости от напряжения, т.к. ширина обедненного слоя обратно смещенного перехода зависит от приложенного напряжения. Кроме того, для работы диффузионного конденсатора необходима строгая полярность напряжения, т.к. такой конденсатор нормально работает только при обратном смещении р-n перехода.

В МДП - конденсаторе нижней обкладкой служит эмиттерный n⁺ - слой, верхней - пленка Аl, диэлектриком - тонкие слои SiO₂ или Si₃N₄ (толщина слоя диэлектрика 0, 05 - 0, 12 мкм). МДП - конденсаторы работают при любой полярности напряжения, однако для их формирования необходимо введение дополнительной операции по формированию тонкого окисла и еще одной операции фотолитографии.

Рисунок 2.8 – Структуры конденсаторов полупроводниковых ИМС на основе переходов Э-Б (а), К-Б (б), К-П (в), параллельно включенных переходов Э-Б и К-Б (г), МДП – конденсатора (д)

Таблица 2.4 - Параметры интегральных конденсаторов

Исходными данными для расчета конденсаторов являются: необходимое значение емкости С и допуск на него Δ С; рабочее напряжение U, B; интервал рабочих температур Δ Т, °С; рабочая частота f, Гц; основные технологические и конструктивные ограничения. При расчете необходимо выбрать тип и конструкцию конденсатора, определить его геометрические размеры, занимаемую площадь.

Емкость диффузионного конденсатора прямоугольной формы на основе обратносмещенного р-n - перехода определяют по формуле

(2.41)

где C₀ и C_ОБ - удельные емкости донной и боковых частей р-n перехода соответственно; a, b, x_j - геометрические размеры р-n перехода.

Соотношение слагаемых зависит от отношения а/b. Оптимальным является отношение а/b = 1, при этом доля " боковой" емкости оказывается минимальной. Значения C₀ и C_ОБ определяют по таблице 2.4. По заданным значениям С, C₀, C_0Б, X_j находят геометрические размеры конденсатора квадратной формы; если для топологии ИМС требуется конденсатор прямоугольной формы, то один из размеров прямоугольника выбирают, исходя из конструктивных соображений. Расчет еще более упрощается, если значением С_бок можно пренебречь. Для расчета Δ С необходимо учесть погрешности технологии при выполнении геометрических размеров диффузионных слоев и отклонения емкости от номинального значения за счет изменения температуры.

Емкость МДП - конденсатора определяется выражением

(2.42)

где ε и d - относительная диэлектрическая проницаемость и толщина диэлектрика;

C₀ - удельная емкость (см. табл. 2.4);

S - площадь верхней обкладки конденсатора. Рабочее напряжение МДП - конденсаторов (обычно 10…50 В) ограничено напряжением пробоя диэлектрика, которое рассчитывают по формуле

(2.43)

где Е_ПР - электрическая прочность диэлектрика (для SiO₂ Е_ПР= 10⁷ В/см).

При расчете геометрических размеров МДП - конденсатора задаются d, определяют C₀ и рассчитывают площадь верхней обкладки.

При вычерчивании чертежа топологии конденсаторов их размеры корректируют с учетом шага координатной сетки.

2.5. Разработка топологии полупроводниковой ИМС

При разработке топологии ИМС необходимо учитывать конструктивно-технологические ограничения (см. рис. 2.9). В таблице 2.5 приведены минимальные размеры для варианта ИМС, выполненной по планарно - эпитаксиальной технологии с использованием изоляции р-n переходом.

Вариант топологии вычерчивают на миллиметровой бумаге в выбранном масштабе. Обычно используемые масштабы кратны 100 (500: 1 или 1000: 1). При этом следует учитывать основные правила размещения изолированных областей и элементов ИМС:

1) суммарная площадь изолирующих р-n переходов должна быть минимальной;

2) к изолирующим р - n переходам всегда должно быть приложено напряжение обратного смещения, что практически осуществляется подсоединением подложки р - типа, или области разделительной диффузии р⁺ - типа к точке схемы с наиболее отрицательным потенциалом;

3)Диффузионные резисторы, формируемые на основе базового слоя, можно располагать в одной изолированной области, которая подключается к точке схемы с наиболее положительным потенциалом (обычно это контактная площадка ИМС, на которую подается напряжение смещения от коллекторного источника питания);

4) резисторы на основе эмиттерного и коллекторного слоев следует располагать в отдельных изолированных областях;

Рисунок 2.9 – Конструктивно – технологические ограничения при разработке топологии ИМС на биполярных транзисторах

5) транзисторы типа n-p-n, коллекторы которых подсоединены непосредственно к источнику питания, целесообразно размещать в одной изолированной области вместе с резисторами;

6) транзисторы типа n-p-n, которые включены по схеме с общим коллектором, можно располагать в одной изолированной области;

7) все транзисторы с различными коллекторными потенциалами должны быть размещены в отдельных изолированных областях;

8) под каждой контактной площадкой создают изолированную область, за исключением контактных площадок с наиболее отрицательным потенциалом;

9) каждый диод на основе перехода база-коллектор должен иметь отдельную изолированную область;

10) диоды на основе перехода эмиттер-база могут помещаться в одну изолированную область;

11) конденсаторы помещают в отдельные изолированные области, за исключением случая, когда один из выводов конденсатора является общим с другой изолированной областью;

12) диффузионные перемычки всегда помещают в отдельные изолированные области;

13) резисторы, у которых нужно точно выдержать отношение номиналов, помещают рядом друг с другом;

14) диффузионные резисторы (кроме эмиттерных) можно пересекать проводящей дорожкой поверх слоя окисла кремния, покрывающего резистор;

15) соединения, используемые для ввода питания, заземления, входной и выходной выводы, необходимо выполнять в виде широких и коротких полосок;

16) контакт к подложке следует располагать рядом с мощным транзистором или как можно ближе к входу или выходу схемы;

17) число внешних выводов к схеме, а также порядок расположения и обозначения контактных площадок выводов ИМС на кристалле должны соответствовать выводам корпуса;

18) первую контактную площадку размещают в нижнемлевом углу кристалла и отличают каким-либо особо оговоренным способом. Нумерацию остальных контактных площадок проводят против часовой стрелки;

19) фигуры совмещения располагают одной – двумя группами на любом свободном месте кристалла. Они могут иметь любую форму (чаще всего квадрат или крест). Причем, на каждом фотошаблоне, кроме первого и последнего, имеются две фигуры совмещения, расположенные рядом друг с другом. Меньшая фигура предназначена для совмещения с предыдущей операцией, а большая - с последующей. На первом фотошаблоне расположена только большая фигура, на последнем только меньшая.

Таблица 2.5 - Конструктивно-технологические ограничения

Продолжение таблицы 2.5

Продолжение таблицы 2.5

3. РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ

3.1 Определение показателей надежности полупроводниковой микросхемы

В качестве основных показателей, характеризующих надежность ИМС, рассчитывают P (t) – вероятность безотказной работы на заданном отрезке времени и среднее время безотказной работы (T _ср):

(3.1)

(3.2)

(3.3)

где - суммарная интенсивность отказов основных конструктивных элементов полупроводниковой ИМС; - интенсивность отказов кристалла с полупроводниковыми ИМС; - интенсивность отказов контактных соединений в пределах кристалла; - интенсивность отказов внешних соединений кристалла с выводами корпуса.

Рассмотрим возможности расчета отдельных составляющих, входящих в выражение (3.3). Интенсивность отказов кристалла рассчитывается с учетом влияния факторов конструктивного, производственного и эксплуатационного характера. Сюда же условно включается показатель надежности корпуса, поскольку его негерметичность отражается на состоянии поверхности кристалла.

Таким образом, для кристалла интенсивность отказов оценивается согласно выражению

(3.4)

где l_кр1– базовая интенсивность отказов; a_к1– коэффициент, учитывающий жесткость технологического контроля в процессе производства; – коэффициент ненадежности корпуса; – коэффициент освоенности производства; – коэффициент сложности кристалла; – коэффициент, учитывающий характер и интенсивность механической нагрузки в процессе эксплуатации ИМС; – температурный коэффициент.

Базовая интенсивность отказов составляет величину примерно
l_кр1=10^-9ч^-1.

Коэффициент жесткости технологического контроля определяется по таблице 3.1.

Таблица 3.1– Значение коэффициента a_к1

Надежность корпуса оценивается в зависимости от его конструкции. Для металлостеклянных и металлокерамических корпусов при дополнительной индивидуальной герметизации кристаллов

, (3.5)

где N – количество выводов корпуса.

Если кристаллы, установленные на основание корпуса, не подвергаются индивидуальной дополнительной герметизации, то

. (3.6)

Для полимерных корпусов

. (3.7)

Влияние освоенности производства учитывается коэффициентом , который для первого года производства принимается равным 10, а для последующих лет снижается до .

Сложность кристалла полагают зависящей от его активной площади (т.е. занятой элементами и межсоединениями без учета внешних контактных площадок и технологического поля по периферии кристалла).

Коэффициент сложности рассчитывается по формуле

(3.8)

где S – количество единиц (квадратных миллиметров) площади кристалла.

Коэффициент механической нагрузки на кристалл зависит от условий эксплуатации и принимается из таблицы 3.2

Таблица 3.2– Значение коэффициента a_м

Коэффициент a_Т определяется в зависимости от температуры элементов кристалла Т_эл согласно данным, приведенным в таблице 3.3.

Таблица 3.3 – Зависимость коэффициента a_Т в зависимости от температуры элементов кристалла Т_эл

Интенсивность отказов внутренних контактных соединений рассчитывается по формуле

(3.9)

где – интенсивность отказов одного соединения; – количество соединений.

С учетом конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов интенсивность отказов одного соединения можно представить следующим образом

(3.10)

где – базовая интенсивность отказов одного внутреннего контактного соединения. Можно принимать .

Интенсивность отказов внешних соединений рассчитывается аналогично внутренним

(3.11)

где – интенсивность отказа одного соединения; – количество соединений.

Для одного соединения интенсивность отказа равна:

(3.12)

Базовая интенсивность отказов одного внешнего соединения в зависимости от применяемых материалов и технологии принимается в соответствии с данными таблицы 3.4

Таблица 3.4 – Базовая интенсивность отказов

3.2 Определение показателей надежности гибридной микросхемы

В качестве основных показателей, характеризующих надежность ИМС, рассчитывают P (t) – вероятность безотказной работы на заданном отрезке времени и среднее время безотказной работы (T _ср).

(3.13)

(3.14)

Интенсивность отказов представляют в виде суммы интенсивностей отказов элементов, компонентов и соединений:

(3.15)

где – интенсивности отказов бескорпусных полупроводниковых ИМС, транзисторов, диодов, пленочных резисторов, конденсаторов, пассивных навесных компонентов и соединений соответственно; N_ПИМС, N_Т, N_Д, N_R, N_C, N_КОМП – количество бескорпусных полупроводниковых ИМС, транзисторов, диодов, пленочных резисторов, конденсаторов и пассивных навесных компонентов соответственно; n_ПИМС, n_КОМП – количество выводов бескорпусных полупроводниковых ИМС и пассивных навесных компонентов; α _Т, α _Д, α _R, α _C – коэффициенты режима работы (температурные коэффициенты) транзисторов, диодов, пленочных резисторов и конденсаторов соответственно.

Для расчетов рекомендуется принимать типичные значения интенсивностей отказов, приведенные в таблице 3.5

Таблица 3.5 – Типичные значения интенсивностей отказов

Интенсивность отказов пассивных навесных компонентов зависит от типа компонента. В качестве примера приведем следующие значения – таблица 3.6.

Таблица 3.6 – Интенсивности отказов навесных пассивных компонентов

Коэффициенты режима работы зависят от температуры, их рекомендуемые значения приведены в таблице 3.7.

Таблица 3.7 – Значения коэффициентов режима работы

Как видно из таблицы 3.7, пленочные конденсаторы имеют пониженную надежность при высокой температуре. Это объясняется ускорением процессов миграции атомов материалов обкладок по микродефектам в диэлектрике, что приводит к повышению токов утечки или к пробою.

4. ОРИЕНТИРОВОЧНЫЙ РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ИМС

Функционирование ИМС связано с выделением тепла в разной степени элементами и компонентами, что может приводить к нежелательным и недопустимым перегревам. На это обстоятельство обращается внимание на всех стадиях проектирования (равномерное распределение тепловыделяющих элементов и компонентов, обеспечение путей выводов тепла и др.). Однако этот анализ теплового режима носит больше качественный характер и, безусловно, требует количественной оценки. В этой связи оцениваются наиболее нагреваемые места платы. К ним относятся резисторы, активные элементы и компоненты. Конденсаторы и индуктивности вносят в нагрев явно меньший вклад. Пленочная коммутация из-за малого сопротивления и высокой теплопроводности наоборот способствует отводу тепла от наиболее нагретых участков.

Считается, что нормальный режим ИМС обеспечивается, если температура самого тяжело нагруженного элемента ИМС (или компонента для ГИМС) не превышает его максимально допустимой рабочей температуры.

Прежде чем как приступать к тепловому расчету, необходимо познакомиться с общим ходом тепловых расчетов, усвоить такие понятия, как перегрев элемента, допустимая температура и др.

Перегрев элемента или компонента ИМС – разность между их собственной температурой и средней температурой поверхности корпуса (обычно обозначается Θ, °С).

Максимально допустимая температура T _{max доп} – максимальная температура элемента или компонента ИМС, при которой обеспечиваются требования к их надежности.

Удельная мощность рассеяния (P ₀, Вт/°С) – плотность теплового потока от элемента ИМС, кристалла или платы ИМС.

Внутреннее тепловое сопротивление элемента, кристалла или компонента ИМС (R _т. вн, °С/Вт) – тепловое сопротивление самого элемента (кристалла, компонента) и тепловое сопротивление контакта между элементом (компонентом) и платой (кристаллом или корпусом) с учетом теплового сопротивления клеевой прослойки.

Величина теплового сопротивления существенно зависит от характера тепловыделяющего объекта. Если источник тепла сосредоточенный, то тепловой поток от него может быть направленным в сторону подложки в той или иной мере. В основном это зависит от размеров тепловыделяющего элемента. Если его размеры не соизмеримы с толщинами слоев, на которых он располагается (условие – l, b > > h), то тепловой поток можно считать плоскопараллельным. В этом случае тепловое сопротивление R _т определится выражением: