МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» (КНИТУ-КАИ) Институт Радиоэлектроники, фотоники и цифровых технологий (наименование института (факультета), филиала) Нанотехнологий в электронике (наименование кафедры) 11.04.04_Электроника и наноэлектроника (шифр и наименование направления подготовки (специальности)) МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЙ КУРСОВЫЙ ПРОЕКТ на тему: Проектирование гибридных интегральных микросхем Обучающийся 5299 ____________ (номер группы) Руководитель к.т.н. (подпись, дата) доцент Кузнецова В.В. (Ф.И.О.) Рахимов Р.Х. (должность) (Ф.И.О.) Курсовая работа (проект) зачтена (зачтен) с оценкой ________________ ___________________ (подпись, дата) Казань 2021 Рецензия _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 2 Институт Радиоэлектроники, фотоники и цифровых технологий Кафедра Нанотехнологии в электронике Направление подготовки 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника» ЗАДАНИЕ на курсовую работу Обучающегося Кузнецовой Виктории Вячеславовны Междисциплинарный курсовой проект Тема: Проектирование гибридных микросхем – Цифро-аналоговый преобразователь Перечень подлежащих разработке вопросов: 1. Расчет и проектирование плёночных элементов (резисторов, конденсаторов) 2. Определение размеров платы и выбор корпуса 3. Разработка топологии ГИС Исходные данные: Список рекомендуемой литературы: 1. Смирнов, Ю.А. Основы микроэлектроники и микропроцессорной техники.[Электронный ресурс] / Ю.А. Смирнов, С.В. Соколов, Е.В. Титов. — Электрон. дан. — СПб.: Лань, 2013. — 496 с. 2. Коваленко А.А. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для студ. вузов. – М. : Академия, 2010. – 240 с. 3. Коледов, Л.А. Технология и конструкция микросхем, микропроцессоров имикросборок. [Электронный ресурс] — Электрон. дан. — СПб. : Лань, 2009. — 400 с. Дата выдачи задания «7» сентября 2021 г. Руководитель курсовой работы: доцент _____________ Рахимов Раис Харисович (подпись) Задание принял к исполнению обучающийся группы 5299 _________________ Кузнецова В.В. (подпись) Казань 2021 3 АННОТАЦИЯ Целью данной курсовой работы является разработка интегральной микросхемы в соответствии с требованиями, приведенными в техническом задании. В процессе выполнения работы мы выполнили следующие действия и получили результаты: ˗ произвели электрический расчет схемы, 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. ANNOTATION The Purpose of this course work is to develop an integrated circuit in accordance with the requirements given in the terms of reference. In the course of the work, we performed the following actions and obtained the results: ˗ to calculate the geometric dimensions of the elements and get their size, necessary for choosing the topology of the chip; ˗ made the choice of the substrate for the chips and litters on it, as well as in accordance with the electrical schematic diagram between the connections; ˗ chose a case for microcircuits so that the standard substrate with the placed elements was placed in one of the cases recommended by GOST 17467-79. 4 ОГЛАВЛЕНИЕ ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ................................................................... 6 ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................................................... 7 1. АНАЛИЗ ЗАДАНИЯ................................................................................................................. 11 2. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЛЕНОЧНЫХ РЕЗИСТОРОВ ................................... 12 2. 1. Оценка возможности реализации всех резисторов на основе использования одного материала резистивной пленки ................................................................................................. 12 2.2. Производим выбор материала резистивной пленки. ...................................................... 13 2.3. Выбор метода получения тонких пленок.......................................................................... 13 2.4 Проверка правильности выбора материала с точки зрения обеспечения заданной точности изготовления.................................................................................................................. 14 2. 5. Определение конструкции резисторов по значению коэффициента формы........... 14 2.6. Определение допустимых геометрических размеров пленочных резисторов с точки зрения рассеиваемой мощности:............................................................................................... 15 2.7. Определение геометрических размеров пленочных резисторов исходя из требуемой точности ....................................................................................................................................... 16 2.8. Выбор окончательных размеров резисторов ................................................................... 16 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ПОДЛОЖКИ ........................................................................ 18 3.1. Определение площади резисторов ..................................................................................... 18 3.2. Определение площади конденсаторов............................................................................... 18 3.3. Площадь навесных микросхем ............................................................................................ 18 3.5. Площадь, занимаемая всеми элементами схемы: ........................................................... 19 3.6. Выбор корпуса для рассчитанной подложки ................................................................... 19 4. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ НАВЕСНЫХ КОМПОНЕНТОВ ......................................... 20 4.1. Выбор навесных конденсаторов и определение его геометрических размеров и площади.......................................................................................................................................... 20 4.2. Выбор навесных микросхем и определение их геометрических размеров и площади.20 4.3. Выбор навесных резисторов и определение его геометрических размеров и площади ......................................................................................................................................................... 22 4.1. Выбор навесных транзисторов и определение его геометрических размеров и площади.......................................................................................................................................... 22 РАЗРАБОТКА ТОПОЛОГИИ ..................................................................................................... 24 ЗАКЛЮЧЕНИЕ .............................................................................................................................. 24 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................... 25 ПРИЛОЖЕНИЕ ............................................................................................................................. 26 5 ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ В данном курсовом проекте требуется разработать комплект конструкторской документации интегральной микросхемы цифро-аналогового преобразователя. 6 Кол. Поз. обозначение Наименование Примеч. КОНДЕНСАТОРЫ С1 Чип 0805 Y5V - 50B- 0,01 мкФ ± 20% (MURATA) 1 C2 Чип 0805 X7R - 50B- 0,03 мкФ ± 10% (MURATA) 1 С3 Чип 0805 Y5V - 50B- 0,1 мкФ ± 20% (MURATA) Чип 0805 Y5V - 50B- 0,3 мкФ ± 20% (MURATA) 1 С4 1 МИКРОСХЕМЫ DA1-DA3 Н154УД1А 6КО.347.078 ТУ 3 D1 Н564ИР6 бК0.347.064 ТУ1/03. 1 765ЛЕ5 бК0.347.064 ТУ13. 1 D2,D3 РЕЗИСТОРЫ R1,R2 чип 0805 - 0,125 Вт -10 кОм±10% (BOURNS) 2 R3, R4 чип 0805 - 0,125 Вт -20 Ом±10% (BOURNS) 2 R5 0,01 Вт -16 кОм±5% (Тонкопленочный) 1 R6 0,01 Вт -8 кОм±5% (Тонкопленочный) 1 R7 0,01 Вт -4 кОм±5% (Тонкопленочный) 1 R8 0,01 Вт -2кОм±5% (Тонкопленочный) 1 R9 0,01 Вт -1 кОм±5% 1 R10 чип 0805 - 0,125 Вт -16 кОм±10% (BOURNS) 1 0,01 Вт -6 кОм±25% (Тонкопленочный) 5 R11- R15 (Тонкопленочный) ТРАНЗИСТОРЫ VT1- VT5 KT354A -2 оАО 339 119 ТУ Курсовой проект ПЭЗ Задание 4 Изм Лист N докум. Разраб. Пров. T.контр. Мальцев Утв. Мальцев 5 Подп. Дата Цифро-аналоговый преобразователь Перечень элементов Лит Лис 1 Листов 1 гр.5299 7 ВВЕДЕНИЕ Проблемы совершенствования РЭА неразрывно связаны с ее миниатюризацией, повышением надежности и увеличением функциональных возможностей, а также возможностями автоматизации и механизации производства. Однако прежде, чем приступить к детальному изучению объекта вашего интереса, весьма полезно и, более того, - необходимо обозреть его в целом издали, в общих чертах, что позволяет почувствовать и понять взаимосвязь ее отдельных частей, динамику развития и возможности прогнозирования на будущее. Строгой терминологии в определении степени миниатюризации РЭА не существует. Однако условимся для определенности применять следующие определения конструкций РЭА: 1. “Нормальная конструкция” базируется на ламповой технике, дискретных компонентах, технологии объемного монтажа с ручной сборкой. Основные недостатки: большое энергопотребление, малый срок службы ламп, громоздкие несущие конструкции, а также невозможность автоматизации процессов сборки и монтажа. 2. “Миниатюрная конструкция” базируется на применении миниатюрных элементов и печатного монтажа. Применение техники печатных схем позволило увеличить плотность монтажа и автоматизировать процессы сборки и монтажа РЭА. 3. “Микроминиатюрная конструкция” базируется на модульном принципе монтажа ЭА. Этот метод включает в качестве основного элемента конструкции некоторую ячейку (модуль), стандартную по размеру, способам сборки и монтажа. Из всех разработанных модулей наиболее широкое распространение получили два вида - плоские и объемные. Плоские модули выполняются на печатных платах унифицированных размеров, имеют проволочные или ленточные выводы. Среди объемных модулей наибольший интерес представляют те, в которых дискретные элементы схемы размещаются вертикально и соединяется в плоскости расположения осевых выводов. После сборки модуль заливается компаундом, что придает ему механическую прочность. 4. “Микромодульная конструкция” - основным элементом которой, является микро плата стандартного размера с нанесенными на нее одного или нескольких микроэлементов и соединенных между собой проволочными выводами. Основные преимущества микромодульных конструкций: стандартная геометрия и возможность автоматизации процессов сборки. 5. “Микроэлектронные интегральные схемы” - это конструктивно законченное изделие электронной техники, содержащее совокупность 8 электрически связанных между собой ЭРЭ, изготовленных в едином технологическом цикле на поверхности или в объеме полупроводникового материала. Наибольшее распространение получили четыре вида интегральных схем: пленочные, гибридные, полупроводниковые и совмещенные. Пленочные схемы, в свою очередь, делятся на тонкопленочные (толщина пленок - доли и единицы микрометра) и толстопленочные (с толщиной пленок более десяти микрометров). Изготовление этих схем основано на нанесении металлических, диэлектрических и полупроводниковых пленок на изоляционную подложку. Гибридные схемы - это тонкопленочные схемы, состоящие из пассивных элементов, межсоединений и присоединенных к ним навесных активных элементов любого назначения в бескорпусном исполнении. Преимущества гибридных схем состоят в том, что они дают возможность сочетать достоинства пленочной технологии изготовления пассивных элементов с высокими электрическими характеристиками дискретных полупроводниковых структур. Полупроводниковые схемы. Отличительной особенностью этих схем является то, что все элементы изготавливаются в одном объеме монокристалла полупроводника. Соединения осуществляются как внутри объема полупроводникового кристалла, так и на его поверхности. К недостаткам следует отнести наличие внутри объема большого числа паразитных связей между элементами, которые снижают электрические характеристики этих схем. Совмещенные схемы. В этих схемах пассивные элементы наносятся на поверхность изоляционного слоя, покрывающего монолитную полупроводниковую структуру с активными элементами. Этот метод позволяет изготавливать схемы с более широким диапазоном электрических параметров и выдерживать более строгие допуски на них. Как видно из изложенного, для всех типов микросхем имеет место интеграция как по конструктивным признакам - формирование всех элементов либо в объеме полупроводника, либо на изоляционной поверхности и их неделимость, так и по технологическим признакам - использование групповых методов обработки. Хронология наиболее важных изобретений, определяющих различные этапы создания интегральных микросхем, позволяет судить об интенсивности проводимых в этом направлении работ: ˗ 1947 год - создание точечного сплавного транзистора; ˗ 1950 год - получение монокристалла германия; 9 ˗ ˗ ˗ ˗ ˗ ˗ ˗ ˗ ˗ ˗ 1951 год - создание биполярного и МОП - транзисторов; 1952 год - получение монокристаллического кремния; 1956 год - изобретение диффузионного транзистора; 1958 год - изобретение планарного транзистора; 1959 год - реализация полупроводниковой схемы; 1960 год - создание эпитаксиальных транзисторов; 1962 год - создание интегральных схем по КМОП технологии; 1969 год - создание большой интегральной схемы (БИС); 1971 год - разработка микропроцессора; 1975 год - разработка сверхбольшой интегральной схемы (СБИС). Если попытаться объективно оценить возможности ИС, то необходимо отметить два важных фактора: С применением ИС становится возможной разработка многих схем, реализация которых ранее не рассматривалась в большей степени по экономическим причинам. Стало очевидным, что, используя для построения аэрокосмических систем повышенной сложности обычные схемы на дискретных компонентах, нельзя достичь требуемых характеристик надежности, стоимости, и уменьшения массогабаритных показателей 10 1. АНАЛИЗ ЗАДАНИЯ Для формирования конфигураций проводящего, резистивного и диэлектрических слоев используют два основных метода: масочный – соответствующие материалы напыляют на подложку через съемные маски; фотолитографический – пленку наносят на всю поверхность подложки, а затем вытравливают с определенных участков. При масочном методе рекомендуется такая последовательность формирования слоев для изготовления ГИС, содержащих резисторы, проводники, пересечение пленочных проводников, конденсаторов. Напыление 1) резисторов; 2) проводников и контактных площадок; 3) межслойной изоляции; 4) проводников; 5) нижних обкладок конденсатора; 6) диэлектрика; 7) верхних обкладок конденсатора; 8) защитного слоя. При фотолитографическом методе для изготовления ГИС, содержащих резисторы и проводники, используют два варианта технологии: 1) напыление материала резистивной пленки; напыление материала проводящей пленки; фотолитография проводящего слоя; фотолитография резистивного слоя; нанесение защитного слоя; 2) после проведения первых двух операций – фотолитография проводящего и резистивного слоев; фотолитография проводящего слоя; нанесение защитного слоя. Для данного задания выбираем фотолитографический метод формирования рисунка резистивного и проводящего слоев, так как он позволяет проектировать и изготавливать резисторы, допуск которых составляет ±10 % и менее (±0,5 %). 11 2. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЛЕНОЧНЫХ РЕЗИСТОРОВ Запишем номиналы резисторов в таблицу 1 Таблица 1. Номиналы резисторов Номиналы, кОм 16 8 4 2 1 6 6 6 6 6 Элементы R5 R6 R7 R8 R9 R11 R12 R13 R14 R15 Пленочные резисторы представляют собой полоску резистивной пленки “1”, снабженную пленочными контактами “2” (Рисунок 1). l 2 1 l* 2 1 l a b b 3 3 d а) б) Рисунок 1. 1 - резистивная плёнка; 2 - плёночный проводник; 3 – области контактов 2. 1. Оценка возможности реализации всех резисторов на основе использования одного материала резистивной пленки 𝑅 Для этого определим отношение 𝑅𝑚𝑎𝑥 в данном функциональном узле и 𝑚𝑖𝑛 если 𝑅𝑚𝑎𝑥 𝑅𝑚𝑖𝑛 ≤ 50, то для реализации всех резисторов используется один материал резистивной пленки: 𝑅𝑚𝑎𝑥 16 кОм = = 16 ≤ 50 𝑅𝑚𝑖𝑛 1 кОм Условие выполняется 12 2.2. Производим выбор материала резистивной пленки. Критерием выбора материала является оптимальное сопротивления квадрата резистивной пленки 𝜌опт. значение ∑𝑛𝑖=1 𝑅𝑖 (16 + 4 + 2 + 1 + 8 + 6 + 6 + 6 + 6 + 6) ∗ 103 𝜌опт = √ =√ = 47,1 кОм ≈ 50 кОм 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ∑𝑛𝑖=1 ( + + + + + + + + + )∗ 3 𝑅𝑖 8 4 2 1 16 6 6 6 6 6 10 По данным таблицы 2 «Параметры материалов тонкопленочных резисторов» выбираем материал резистивной пленки с сопротивлением, ближайшим по значению к расчетному 𝜌опт . [1, 39] Таблица 2. Параметры материалов тонкопленочных резисторов Максимально Сопротивлени Диапазон допустимая е квадрату ТКС (R)10-4С Погрешность номинальных удельная резистивной Материал в интервале сопротивлений, старения плёнки, мощность плёнки, температур, С Ом рассеяния Р0, S Ом\□ Вт\см2 Для за 5000ч в от +25 за 1000ч напыления Контактных от –60 нормальн при до резистивной площадок до +25 ых +125 t=85С плёнки условиях Золото с 3000 1000-10000 -3 -3 1 0,1 0,3 Кермет подслоем 5000 500-2000000 -4 -4 К-50С хрома 10000 1000-10000000 -5 -5 2 (нихрома) Выбираем материал - Кермет К – 50С. 2.3. Выбор метода получения тонких пленок. После выбора материала резистивной пленки, выбираем метод получения тонких пленок. Тонкими называют пленки толщиной от 0,1 до 2,0 мкм. Высокая точность по толщине и химическая чистота таких пленок может быть достигнута только при выращивании их из атомарного потока. Создать такой поток можно только в вакууме, например, испаряя материал при высокой температуре в направлении к подложке. Это метод термического вакуумного испарения (ТВИ). [1, 28]Создать направленный поток атомов можно также распыляя нужный материал - мишень путем бомбардировки его ионами инертных газов, это метод ионно-плазменного распыления (И-ПР). Именно этот метод (И-ПР) мы выбираем для получения тонких пленок, так как он имеет ряд преимуществ по сравнению с методом ТВИ, одно из которых – это то, что метод И-ПР позволяет распылять самые разные материалы, в том числе 13 сложные по составу, например, стали, керметы, пермолои и т.д. Таким образом, этот метод получения тонких пленок является оптимальным для распыления выбранного ранее материала резистивной пленки – Кермет К-50С. Самая простая схема И-ПР это 2х электродная схема катодного распыления. Упрощенная схема рабочей камеры установки катодного распыления представлена на рисунке 2. [1, 27]. Рисунок 2. Двухэлектродная схема катодного распыления. 1- вакуумный колпак из нержавеющей стали; 2 –катод; 3 – экран; 4 – игольчатый натекатель для непрерывной подачи аргона; 5 – подложка; 6 – анод; 7 – вакуумплотный изолятор; 8 – вакуумный уплотнитель по периметру колпака; 9 – плита корпуса вакуумной установки 2.4 Проверка правильности выбора материала с точки зрения обеспечения заданной точности изготовления. Произведем проверку правильности выбора материала, с точки зрения обеспечения заданной точности изготовления: ̅̅̅̅ ̅̅̅̅ ̅̅̅̅ ̅̅̅̅ ∆Кф доп = ∆𝑅 ∎ − ∆𝑅𝑡0 − ∆𝑅𝑐т − ∆𝑅К −4 ∗ 120 = −0,06 ̅̅̅̅ ∆𝑅 𝑡0 = 𝛼𝑅 (𝑇𝑚𝑎𝑥 − 𝑇𝑚𝑖𝑛 ) = −5 ∗ 10 𝛼𝑅 −заимствуется из данных таблицы 2. ̅̅̅к ≤ 2% (по умолчанию) ∆𝑅 ̅̅̅̅̅̅ ∆𝑅ст = ±0,3% -заимствуется из данных таблицы 2. ∆Кф доп = 0.2 + 0,06 − 0.003 − 0.02 = 0.237 > 0 ⇒ материал подходит Если ∆Кф доп>0, то выбранные материалы обеспечивают изготовление резистора заданной точности. 2. 5. Определение конструкции резисторов по значению коэффициента формы 𝐾ф𝑖 = 𝐾ф5 = 𝐾ф6 = 𝐾ф7 = 16000 Ом 50000 Ом 8000 Ом 50000 Ом 4000 Ом 50000 Ом 𝑅𝑖 𝜌опт = 0,32; = 0,16; = 0,08; 14 𝐾ф8 = 𝐾ф9 = 2000 Ом 50000 Ом 1000 Ом = 0,04; = 0,02; ; 50000 Ом 6000 Ом 𝐾ф11−15 = 50000 Ом = 0,12; Делим все резисторы на две группы: 1 гр: 𝐾ф𝑖 ≥ 1 - высокоомные 2 гр.: 𝐾ф𝑖 < 1 – низкоомные Все имеющиеся резисторы относятся ко второй группе – низкоомные. При 𝐾ф𝑖 > 0 и 𝐾ф𝑖 ≤ 10 рекомендуется использовать резисторы прямоугольной формы. 2.6. Определение допустимых геометрических размеров пленочных резисторов с точки зрения рассеиваемой мощности: Для низкоомных резисторов сначала рассчитываем длину, а затем ширину. 𝑙𝑝𝑖 = √ 𝑃𝑅𝑖 ∗ Кф𝑖 𝑏𝑝𝑖 = 𝑃0 𝑙𝑝 𝑖 Кф𝑖 Для R5 0,01 Вт ∗ 0,32 𝑙𝑝5 = √ = 0,04 мм 2 Вт/см2 𝑏𝑝5 = 0.89 = 0,125 мм 0.32 Расчет для остальных резисторов аналогичен и далее не приводится. Результаты расчета всех резисторов данной группы сведены в таблицу 3. Таблица 3. Геометрические размеры низкоомных резисторов, рассчитанных исходя из рассеиваемой мощности Резистор 𝑏𝑝1 , мкм 𝑙𝑝𝑖 , мкм 𝑃𝑅𝑖 , Вт 0,01 4000 1250 𝑅5 0,01 1750 282 𝑅6 0,01 2500 200 𝑅7 0,01 3500 140 𝑅8 0,01 5000 100 𝑅9 0,01 2040 240 𝑅11 0,01 2040 240 𝑅12 0,01 2040 240 𝑅13 0,01 2040 240 𝑅14 0,01 2040 240 𝑅15 15 2.7. Определение геометрических размеров пленочных резисторов исходя из требуемой точности. Для низкоомных резисторов сначала рассчитываем длину, а затем ширину. 𝑙точ 𝑖 = ∆𝑙 + ∆𝑏 ∗ Кф𝑖 ∆Кф доп Для R5 ∆𝑙 = 0.005 мм ∆𝑏 = 0.005 мм 𝑙точ 5 = 0.005 + 0,005 ∗ 0,32 = 0,027мм 0,237 т.к. 𝑙𝑝5 = 310 мкм следовательно, 𝑙точ 5 = 310 мкм 𝑏𝑝5 = 710 мкм Так как b5топ составляет значительную величину, то не имеет смысла выбирать 1K = b2топ. Выберем из таблицы конструктивно-технологических ограничений 1K = 200 мкм. Тогда с учетом перекрытия контактных площадок bполн = 310 + 2 ⋅ 200 = 710 мкм. Площадь резистора S1 = 310 ⋅ 710 = 0,22 мм2. Расчет для остальных резисторов аналогичен и далее не приводится. Результаты расчета всех резисторов данной группы сведены в таблицу 4. Таблица 4. Геометрические размеры низкоомных резисторов, рассчитанных исходя из требуемой точности Резистор 𝑏точ 𝑖 , мкм 𝑙точ𝑖 , мкм 𝑅5 710 310 𝑅6 640 240 𝑅7 627 227 𝑅8 619 219 𝑅9 615 215 𝑅11 636 236 𝑅12 636 236 𝑅13 636 236 𝑅14 636 236 𝑅15 636 236 2.8. Выбор окончательных размеров резисторов Из двух полученных значений bi или li, определенных по точности и по допустимой мощности рассеяния, выбирается большее с учетом 16 технологических ограничений. Окончательные размеры резисторов сведены в таблицу 5. Резистор 𝑃𝑅𝑖 , Вт 𝑅5 𝑅6 𝑅7 𝑅8 𝑅9 𝑅11 𝑅12 𝑅13 𝑅14 𝑅15 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 Таблица 5. Геометрические размеры резисторов 𝑏𝑝1 , мкм 𝑙𝑝𝑖 , мкм 4000 1750 2500 3500 5000 2040 2040 2040 2040 2040 1250 282 200 140 100 240 240 240 240 240 17 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ПОДЛОЖКИ Для ориентировочного расчета размеров подложки необходимо подсчитать площадь, занимаемую элементами схемы. Общая площадь подложки равна: 𝑛 𝑘 𝑚 𝑟 𝑆 = 𝐾 (∑ 𝑆𝑅𝑖 + ∑ 𝑆𝑐𝑖 + ∑ 𝑆𝐾𝑖 + ∑ 𝑆ТР𝑖 ) 𝑖=1 𝑖=1 𝑖=1 𝑖=1 где К – коэффициент запаса по площади (1÷3). 3.1. Определение площади резисторов 𝑆𝑅5 = 𝑏5 ∗ 𝑙5 = 4 ∗ 0,125 = 0,5мм2 𝑆𝑅6 = 1,75 ∗ 0,2 = 0,35 мм2 𝑆𝑅7 = 2,5 ∗ 0,2 = 0,5 мм2 𝑆𝑅8 = 3,5 ∗ 0,14 = 0,49м2 𝑆𝑅9 = 5 ∗ 0,1 = 0,5м2 𝑆𝑅11−15 = 2 ∗ 0,24 = 0,48 мм2 Площадь всех резисторов: 𝑛 ∑ 𝑆𝑅𝑖 = 4,74м2 𝑖=1 3.2. Определение площади конденсаторов Площадь навесного конденсатора: 𝑆𝐶1 = 𝑙 ∗ 𝑏 = 10 ∗ 4 = 40мм2 𝑆𝐶2 = 2 ∗ 1.25 = 2.5 мм2 𝑆𝐶3 = 10 ∗ 4 = 40мм2 𝑆𝐶4 = 2 ∗ 1.25 = 2.5 мм2 Суммарная площадь конденсаторов: 𝑘 ∑ 𝑆𝑐𝑖 = 85 мм2 𝑖=1 3.3. Площадь навесных микросхем 𝑆𝐷𝑎1 = 𝑙 ∗ 𝑏 = 2.5 ∗ 2.5 = 6.25 мм2 𝑆𝐷𝑎2 = 2.5 ∗ 2.5 = 6.25 мм2 𝑟 ∑ 𝑆ТР𝑖 = 5,76 + 7,2 = 12,5 мм2 𝑖=1 3.4. Площадь, занимаемая контактными площадками: Число контактный площадок m=15 18 Размер контактных площадок выбираем из таблицы 3.15. (Коледов), для метода фотолитографии предпочтительнее выбрать размеры контактных площадок 0,2*0,2 мм 𝑆К = 0,2 ∗ 0,2 = 0,04 мм2 𝑚 ∑ 𝑆𝐾𝑖 = 0,04 ∗ 15 = 0.6 мм2 𝑖=1 3.5. Площадь, занимаемая всеми элементами схемы: 𝑛 𝑘 𝑚 𝑟 𝑆 = 𝐾 (∑ 𝑆𝑅𝑖 + ∑ 𝑆𝑐𝑖 + ∑ 𝑆𝐾𝑖 + ∑ 𝑆ТР𝑖 ) 𝑖=1 𝑖=1 𝑖=1 𝑖=1 𝑆 = 2 ∗ (4,74 + 85 + 12.5 + 0.6) = 206 мм2 3.6. Выбор корпуса для рассчитанной подложки Выбор типоразмера корпуса произведем согласно геометрическим размерам подложки. выбор типоразмера корпуса произведем с таким расчетом, чтобы подложка стандартных размеров с размещенными на ней элементами помещалась в выбранный корпус. Согласно таблице 6 выбираем типоразмер №6 с размером подложки 20х24 мм. Площадь данной подложки составляет 480 мм2, что удовлетворяет нашим данным. № Шир Длин № Шир Длин № типо ина а типо ина а типо разм разм разм ера ера ера 1 96 120 6 20 24 11 2 60 96 7 16 20 12 3 48 60 8 12 16 13 4 30 48 9 10 16 14 5 24 30 10 10 12 15 Примечание. Размеры указаны в миллиметрах. Таблица 6. Типоразмеры плат[1,69] Шир Длин № Шир Дли ина а типор ина на азмер а 5 6 16 8 10 2.5 4 17 24 60 16 60 18 20 45 32 60 19 20 45 8 15 19 4. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ НАВЕСНЫХ КОМПОНЕНТОВ 4.1. Выбор навесных конденсаторов и определение его геометрических размеров и площади. Исходные данные: Конденсатор чип 0805 Y5V 0,01мкФ ±20% - 50 В Пользуемся таблицей 7. Таблица 7. Параметры конденсаторов 0805 Выводы/корпус smd 0805 Тип grm21 Рабочее напряжение, В 50 Номинальная емкость 0,033 мкф Допуск номинала,% 10 Температурный коэффициент емкости x7r Рабочая температура,С -55…125 Выводы/корпус радиал.пров. Длина корпуса L,мм 2 Ширина корпуса W,мм 1.25 Вес, г 0.04 4.2. Выбор навесных микросхем и определение их геометрических размеров и площади. DA3 - 744УД1А-1 6КО.347.063 ТУ Микросхема 744УД1А-1 представляет собой бескорпусной операционный усилитель дифференциальный с высоким входным сопротивлением и напряжением смещения не более 19 мВ. Параметры микросхемы нормируются в диапазоне температур от -60 °С до +85 °С. Технические условия: бК0.347.063ТУ. Рисунок 3. Способы установки на плату, электрические параметры, габариты и присоединительные размеры микросхемы 20 DA1, DA2 - Микросхема Н154УД1А - 6КО.347.078.ТУ Рисунок 4. Способы установки на плату, электрические параметры, габариты и присоединительные размеры микросхем D1 - Микросхема Н564ИР6 бК0.347.064 ТУ1/02. Рисунок 5. Способы установки на плату, электрические параметры, габариты и присоединительные размеры микросхем 21 Микросхема Н590КН7 представляет собой четырехканальный аналоговый ключ со схемой управления (двухполюсное переключение) для коммутации напряжений от - 15 до 15 В. Корпус типа Н04.16-2В. Рабочая температура: -60...+85 °С. Технические условия: бК0.347.000-20 ТУ. D2 Н765ЛЕ5 бК0.347.064 ТУ13. 4.3. Выбор навесных резисторов и определение его геометрических размеров и площади. R1- R4– Резистор– чип 0805 – 0,125 Вт Пользуемся таблицей 8. Таблица 8. Параметры резисторов 0805 Типоразмер Типоразмер EIA метрический 0402 1005 0603 1608 0805 2012 L (мм) W (мм) H (мм) D (мм) T (мм) 1.0±0.1 1.6±0.1 2.1±0.1 0.5±0.05 0.85±0.1 1.3±0.1 0.35±0.05 0.45±0.05 0.5±0.05 0.25±0.1 0.3±0.2 0.4±0.2 0.2±0.1 0.3±0.2 0.4±0.2 4.4. Выбор навесных транзисторов и определение его геометрических размеров и площади. VT1- VT4 KT354A -2 оАО 339 119 ТУ 22 РАЗРАБОТКА ТОПОЛОГИИ Процесс проектирования топологической структуры ГИС включает последовательное выполнение 4 основных этапов: 1. 1.Расчет геометрических размеров и выбор формы пленочных элементов 2. Определение размеров платы, выбор компонентов и типоразмера корпуса 3. Разработку коммутационной схемы соединений элементов на подложке 4. Разработку окончательного варианта топологии При выполнении каждого из этих этапов необходимо придерживаться следующих общих принципов: Минимизация площади, занимаемой элементами, компонентами, и схемой в целом; Минимизация числа пересечений межэлементных соединений; Равномерное расположение элементов и компонентов на площади подложки; Минимизация числа используемых материалов для реализации пленочных элементов; Минимизация длины соединительных проводников. Топологический чертеж выполнен и представлен в приложении. 23 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В данной курсовой работе был произведен выбор материала резистивной пленки– Кермет К-50 и его обоснование, материала контактных площадок – золото с подслоем хрома (нихрома), Нихром, проволока X20H80 и его обоснование, материала контактных площадок - медь и диэлектрика в конденсаторе – моноокись кремния, а также материал обкладок конденсатора алюминий. Характеристики материалов приведены в таблицах 2 и 11. На основании выбранного материала резистивной пленки, был определен метод получения тонких пленок – метод ионно-плазменного распыления (И-ПР). Также выбраны конструкции элементов и приведено описание методики их расчета в соответствии с заданными параметрами. Геометрические размеры резисторов приведены в таблице 8. Кроме этого, был произведен выбор навесных компонентов (пункт 4). Произведён расчёт площади платы (205.11 мм2 ), выбран типоразмер платы №6 с размером подложки 20х24 из таблицы типоразмеров плат ГИС. Разработаны чертежи для заданной схемы, которые включают схему принципиальную электрическую, топологический чертеж ГИС цифроаналогового преобразователя, чертеж резистивного слоя и сборочный чертеж ГИС с указанием выводов. 24 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Проектирование Гибридных Интегральных микросхем. Учебное пособие по курсовому проектированию по дисциплине "МИКРОЭЛЕКТРОНИКА" специальности 11.03.04 "Электроника и наноэлектроника" /Н.Р. Гайнуллина; Казань: Изд-во КНИТУ-КАИ, 2017 2. Конструирование и технология микросхем. Курсовое проектирование: Учеб. Пособие для вузов по спец. «Конструирование и производство радиоаппаратуры» и «конструирование и производство электронновычислительной аппаратуры»/ Коледов Л. А., Волков В. А., Докучаев Н.Н. и др.; под ред. Л. А. Коледова.-М.:Высш.шк., 1984.231с., ил. 3. Информационные технологии проектирования интегральных микросхем. Учебно-методическое пособие по дисциплине "Проектирование интегральных микросхем" специальности 210201 "Проектирование и технология радиоэлектронных средств"/ Н.Х. Кутлин, С.Е. Куншин.. Казань,2008. 4. Технология микросхем: практикум / Ф. К. Валитова, 2009. - 44 с. 5. Габаритные размеры [Электронный ресурс], https://www.eham.ru/guide/smd/64.html 25 ПРИЛОЖЕНИЕ 26 Приложение 1 27 Приложение 2 28 Приложение 3 29 Приложение 4 30
