ПИМС и МП. Лекции, задания / УчебнПособ_Р2_1_м

Л.А. Торгонский

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХМИКРОСХЕМ ИМИКРОПРОЦЕССОРОВ

Раздел 2

Учебное пособие

2011

1

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное гоударственное бюджетное образовательное учереждение высшего профессионального образования

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра комплексной информационной безопасности электронно-вычислительных систем (КИБЭВС)

Л.А. Торгонский

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХМИКРОСХЕМ ИМИКРОПРОЦЕССОРОВ

Раздел 2

Учебное пособие

2011

2

УДК 621.382

Торгонский Л.А.

Проектирование интегральных микросхем и микропроцессоров: Учебное пособие. В 3-х разделах. — Томск: ТУСУР, 2011. — Раздел 2. — 228 с.

Содержание пособия отражает базовые требования, темы, понятия предусмотренные государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования РФ по одноимённой дисциплине для специальности 210202 «Проектирование и технология электронно-вычислительных средств».

Первый раздел пособия посвящен проектированию структур, топологических конфигураций элементов и кристаллов полупроводниковых микросхем.

Во втором разделе пособия рассматриваются основные аспекты проектирования элементов и плат гибридных микросхем, проектирования больших интегральных микросхем, проектирования средств защиты от внешних воздействий, подготовки конструкторской документации.

В третьем разделе размещены методические указания по изучению дисциплины, программа, варианты первой контрольной работы и технические материалы к выполнению трёх контрольных работ, вторая и третья из которых рассчитаны на компьютерный контроль. По дисциплине подготовлены вопросы компьютерного экзамена.

Пособие может быть рекомендовано студентам и специалистам других специальностей, выполняющим проектирование конструкций микросхем.

Торгонский Л.А., 2011Томск, ТУСУР, 2011

	3
	СОДЕРЖАНИЕ
4 Проектирование ГИМС..............................................................		5
4.1	Введение ...................................................................................	5
4.2	Подложки и платы ГИМС........................................................	6
4.3	Резисторы ГИС.........................................................................	8
4.3.1 Конструкции пленочных резисторов................................		8
4.3.2 Функциональные параметры резисторов ГИС...............		15
4.3.3 Материалы тонкоплёночных резисторов........................		17
4.3.4 Материалы толстоплёночных резисторов ......................		20
4.3.5 Технологические ограничения ........................................		23
4.3.6 Тонкоплёночные резисторы без подгонки......................		25
4.3.7 Проектирование резисторов в форме меандра...............		29
4.3.8 Резисторы с подгонкой сопротивления ..........................		30
4.3.9 Проектирование толстоплёночных резисторов..............		35
4.3.10 Частотные свойства плёночных резисторов.................		38
4.4	Плёночные конденсаторы ГИС.............................................	40
4.4.1 Введение............................................................................		40
4.4.2 Конструкции плёночных конденсаторов ГИМС............		41
4.4.3 Функциональные параметры конденсаторов ГИМС.....		48
4.4.4 Материалы тонкоплёночных конденсаторов..................		48
4.4.5 Проектирование тонкоплёночных конденсаторов.........		50
4.4.6 Подгоняемые плёночные конденсаторы.........................		53
4.4.7 Материалы толстоплёночных конденсаторов................		55
4.4.8 Проектирование толстоплёночных конденсаторов........		56
4.5	Индуктивные элементы ГИС.................................................	58
4.5.1 Введение............................................................................		58
4.5.2 Проектирование плёночных катушек .............................		62
4.6	Соединения и контакты ГИС.................................................	64
4.7	Коммутационные платы.........................................................	66
4.8	Компоненты ГИС...................................................................	71
4.8.1 Введение............................................................................		71
4.8.2 Конструкции кристаллов .................................................		72
4.8.3 Конструкции конденсаторов............................................		75
4.8.4 Конструкции резисторов..................................................		77
4.8.5 Индуктивные компоненты ГИМС...................................		78
4.9	Гибридные микросхемы СВЧ диапазона..............................	80

	4
4.9.1 Введение............................................................................		80
4.9.2 Элементы ГИМС СВЧ......................................................		82
4.9.3 Подложки ГИМС СВЧ.....................................................		83
4.9.4 Микрополосковые линии передачи ГИМС СВЧ............		86
4.9.5 Пассивные элементы ГИМС СВЧ...................................		92
4.9.6 Активные элементы ГИМС СВЧ.....................................		93
4.9.7 Конструкции ГИМС СВЧ................................................		95
5 Проектирование БИС..............................................................		100
5.1	Введение ...............................................................................	100
5.2	Проблемы проектирования БИС.........................................	102
5.3	Этапы проектирования БИС................................................	106
5.4	Элементная база БИС. Матричные кристаллы...................	109
5.4.1 Введение..........................................................................		109
5.4.2 Библиотечный набор функциональных элементов
	и узлов............................................................................	109
5.4.3 Конструктивные параметры модулей
	матричных БИС.............................................................	114
5.5	Автоматизация проектирования топологии ИМС .............	116
5.6	Системы автоматизации проектирования БИС..................	121
6 Обеспечение защиты ИМС и МП..........................................		125
6.1	Введение ...............................................................................	125
6.2	Корпуса микросхем..............................................................	126
6.3	Бескорпусные микросхемы..................................................	134
6.4	Тепловые режимы ИМС ......................................................	135
6.5	Внешние и внутренние паразитные связи и помехи в ИС...	142
6.6	Обеспечение механической устойчивости
	конструкций ИС....................................................................	151
6.7	Защита микросхем от воздействия агрессивных сред.......	161
6.8	Монтаж кристаллов и плат..................................................	177
6.9	Электрический монтаж кристаллов и плат.........................	183
7 Конструкторская документация ИС.....................................		197
7.1	Понятия и определения........................................................	197
7.2	Состав и содержание текстовых документов.....................	204
7.3	Схемная докумнтация..........................................................	207
7.4	Масштабные графические документы микросхем.............	214
8 Заключение................................................................................		222
Список литературы ....................................................................		227

5

4 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГИМС

4.1 Введение

Конструктивными и схемными элементами и компонентами как пленочных, так и толстопленочных гибридных интегральных микросхем (ГИМС) являются:

–диэлектрическая подложка;

–пленочные резисторы, конденсаторы, проводники и контактные площадки;

–миниатюрные пассивные и активные компоненты;

–корпус.

Гибридные микросхемы ГИМС имеют ряд позитивных свойств, обеспечивая:

–широкий диапазон номиналов пассивных элементов;

–в сравнении с полупроводниковыми ИМС малые пределы допусков и лучшие электрические характеристики этих элементов (более высокая добротность, температурная и временная стабильность, меньшее количество и менее заметное влияние паразитных элементов);

–возможность интеграции в их конструкциях широкого спектра дискретных компонентов, включая полупроводниковые БИС.

Минимальное количество микросхем, при котором производство становится рентабельным, меньше при гибридно-пленочной технологии, чем при полупроводниковой. Тем не менее для производства выгодно минимизировать номенклатуру изделий различного функционального назначения и проектировать ГИМС как многофункциональное устройство. Окончательный выбор функции определяется потребителем. Реализация функционального назначения гибридных микросхем по заказу потребителя производится на последних этапах производства применением определенного варианта коммутации элементов и компонентов.

Использование в производстве пленочных и навесных пассивных и активных компонентов определяет широкий диапазон применения гибридных микросхем, оправдывает целесообразность и перспективность их производства как микросхем частно-

6

го применения при разработке микроэлектронной аппаратуры любой серийности.

Подготовка производства и производственного персонала для производства ГИМС обеспечивается при существенно меньших уровнях расхода материальных ресурсов в сравнении с производством полупроводниковых конструкций. Вопросам проектирования гибридных микросхем посвящены материалы работ [1, 3, 4, 7, 10, 12, 13].

4.2 Подложки и платы ГИМС

Подложки и платы являются диэлектрическим несущим основанием, на котором размещаются пленочные элементы и компоненты. Для элементов и компонентов платы являются и теплоотводящей частью конструкции ИМС. Для обеспечения заданных электрических параметров микросхем материал подложки должен удовлетворять ряду требований:

–для эффективной передачи тепла от тепловыделяющих элементов и компонентов (резисторов, диодов, транзисторов) к корпусу должен иметь высокую теплопроводность;

–для обеспечения целостности конструкции как в процессе производства (разделение на платы, монтаж и электромонтаж компонент и платы в корпус и т.д.), так и при ее эксплуатации (термоциклирование, термоудары, механические воздействия) должен иметь высокую механическую прочность;

–должен характеризоваться высокой химической инертностью к осаждаемым материалам для снижения временной нестабильности параметров пленочных элементов и стойкостью к воздействию высокой температуры в процессах формирования элементов и установки навесных компонентов;

–должен быть инертным к воздействию химических реактивов в процессах электрохимических обработок и химическом осаждении пленок.

Материал подложки и наносимые на её поверхность пленки для снижения механических напряжений в пленках, отслаивание

ирастрескивание при термоударах должны быть совместимыми по температурным характеристикам.

7

В качестве материала подложек маломощных ГИС применяются бесщелочные боросиликатные стекла С41-1, С48-3 и ситаллы (стеклокристаллические материалы). Стекла широко применялись в ранних конструкциях микросхем. По мере отработки технологии широкое распространение в качестве подложек получили ситаллы и иные виды керамики, которые по всем показателям, кроме может быть стоимости, превосходят стёкла. Для толстоплёночных и микросхем повышенной мощности в качестве материала подложек и плат применяют высокотемпературные керамики 22ХС (96 % Al2O3) и «Поликор». Для особо мощных микросхем применяется бериллиевая керамика (99,5 % ВеО), превосходящая ряд металлов по теплопроводности, и покрытые диэлектриком металлические основания из сплавов алюминия или стальные. Параметры ряда распространённых материалов подложек и плат приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1— Параметры материалов подложек и плат ГИМС

		Стекло		Ситалл	Плавленый	Керамика
	Параметр					22ХС		Глазу-
		С41-1	С48-3	СТ50-1	кварц		Поликор	рован-
						(96 % Al2O3)
								ная
	Класс чистоты	14	14	13–14	14	12	12–14	14
	поверхности
	ТКЛР, °С–1
	(диапазон	(41±2)	(48±2)	(50±2)	(55±2)	(55±5)	(73±2)	(75±3)
	температур
		∙ 10–7	∙ 10–7	∙ 10–7	∙ 10–7	∙ 10–7	∙ 10–7	∙ 10–7
	(20–300) °С
	Теплопровод-	1	1,5	1,5	7–15	10	30–45	1,2–1,7
	ность,
	Вт/(м∙°С)
	Температура	–	750	620	1500	1500	–	1900
	размягчения, °С
	Отн. диэлект-
	рическая
	проницаемость,	7,5	3–8	5–8	3,8	10,3	10,5	13–16
	(f = 106 Гц,
	Т = +20 °С)
	Тангенс угла
	диэлектричес-	2	1,5	2		0,6	1,8	1,8
	ких потерь,				–
	(f = 106 Гц,	∙10–5	∙10–5	∙10–5		∙10–5	∙10–5	∙10–5
	Т = +20 °С)
	Объёмное
	сопротивление,	1017	1014	–	1015	–	–	–
	Ом∙см,
	Т = +20 °С
	Электрическая
	прочность,	400	400	–	–	500	–	500
	кВ/см

8

К качеству обработки поверхности подложек и плат предъявляются высокие требования в части шероховатости и неровности поверхности подложки. Так для тонкопленочных резисторов

иконденсаторов при толщине пленок около 0,1 мкм допускается высота микронеровностей не более 0,025 мкм, что соответствует 14 классу чистоты поверхности. Для толстоплёночных конструкций при толщине плёнок 10...50 мкм микронеровности могут достигать 1...3 мкм, что соответствует 8...10 классам чистоты поверхности. Более того, в связи со спецификой сеткографической технологии нанесения толстых плёнок, высота микронеровностей должна быть не менее 50...200 нм.

Качественный теплоотвод, высокая механическая прочность

ижесткость конструкции обеспечиваются при металлических подложках: алюминиевых, покрытых слоем диэлектрического

окисла Al2O3, или эмалированных стальных.

Габаритные размеры подложек стандартизованы. Обычно на стандартной подложке групповым методом изготавливают несколько плат гибридных микросхем. Платой (с этим наименованием она вписывается в документы конструкторской документации) называется часть подложки с расположенными на ее поверхности пленочными элементами одной ГИС (гибридной микросхемы). Деление подложки на части, кратные двум и трем, (на 2, 3, 4, 6, 8, 12 и далее) образует нормализованный ряд типоразмеров плат. Рекомендуемые размеры плат приведены в табл. 4.2. Платы типоразмеров 3–10 приводимой таблицы соответствуют размерам посадочных мест в типовых корпусах ГИС. Толщина подложек составляет 0,35...0,6 мм. Размеры подложек имеют только минусовые допуски в пределах 0,1...0,3 мм.

4.3Резисторы ГИС

4.3.1 Конструкции пленочных резисторов

Пленочный резистор располагают на поверхности диэлектрической подложки. На рис. 4.1 изображены наиболее распространенные конфигурации плёночных резисторов. Простейшая полосковая конструкция резистора, изображённая на рисунке 4.1, а, состоит из резистивной пленки (1), имеющей определенную

9

Таблица 4.2

конфигурацию, и контактных площадок (2). Оба конца резистивной плёнки на участке Lк (3) перекрыты контактными проводниковыми площадками. Размеры L и В являются длиной и шириной резистора соответственно. Ширина контактной площадки Вк превышает ширину резистивной полосы В и перекрытие Lк по длине функционально необходимы с тем, чтобы технологические искажения размеров не приводили к завышению сопротивления контактных переходов между резистивным слоем и контактными площадками. Другие конструктивные исполнения, изображённые на рис. 4.1, б, г, д, определяются как модификации изогнутых, а изображённые на рис. 4.1, в, е — как составные. Составные модификации применяются в масочных технологиях, для которых