книги / Микроэлектроника толстых пленок
..pdfМЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ |
41 |
Выводные проводники: размер; материал; местона
хождение.
Корпусирование: максимально допустимые размеры;
ожидаемые электрические свойства; размер корпуса. Разное: принципиальная электрическая схема; требо
вания к качеству; спецификация по механическим испы таниям и испытаниям по влиянию окружающей среды; требования к размерам (в настоящем и будущем); время припайки; ограничения стоимости.
После того как собрана вся информация об элемен тах схемы согласно вышеприведенным спецификациям, схемотехник, проанализировав ее схематическую диа грамму, приступает к определению размеров подложки и топологии схемы. Предварительный выбор типа кор пуса можно сделать, пользуясь табл. 2.1 [6]. Ниже бо лее подробно рассматривается метод определения раз меров подложки.
|
|
|
|
|
Таблица 2.1 |
|
|
Проектные нормы на гибридные схемы |
|
||||
|
|
|
|
Плотноспь упаковки |
|
|
|
|
|
|
акти[ВНЫХ |
Мощность |
|
Размеры |
Количество |
Размеры |
элем:ентов |
|||
|
|
рассеяния |
||||
корпуса, |
выводов |
подложки, мм |
ДЛЯ |
|
на откры |
|
мм |
|
|
|
для ИС- |
том воз |
|
|
|
|
|
транзис |
духе, мВт |
|
|
|
|
|
торов |
чипов |
|
6,2X 6,2 |
14 |
2,75X2,75 |
3—6 |
1—3 |
250 |
|
6,2X9,4 |
14 |
2,75X6,00 |
4—8 |
2—3 |
300 |
|
9,4X15,6 |
14 |
6X6 |
|
8— 12 |
2—4 |
400 |
15,6X15,6 |
20 |
12,5X12,5 |
12—20 |
4—8 |
800 |
|
18,7X18,7 |
22 |
13,5X13,5 |
15 -20 |
10— 15 |
|
|
18,7X25 |
32 |
13,5X20,5 |
|
|
830 |
|
25X25 |
30 |
18,75X18,75 |
|
|
1200 |
|
ТО-5 |
6, 8, 10 |
Диаметр |
4,5 |
2—4 |
1 |
280 |
ТО-8 |
12 |
Диаметр |
5,75 |
6 - 8 |
2—3 |
1000 |
|
(малые) |
|
|
|
3—5 |
1200 |
ТО-8 |
12, 16 |
Диаметр |
7,5 |
10— 16 |
||
|
(большие) |
|
|
|
|
|
42 Г Л А ВА 2
Определим удельное сопротивление требуемой рези стивной пасты, приняв, например, что отношение пре дельных сопротивлений изготавливаемых из нее рези сторов составляет R m&x'Rm\n = 100.
Для изготовления резисторов, имеющих номинал в диапазоне от 100 Ом до ЮкОм, можно применить рези стивную пасту с удельным сопротивлением 1000 Ом/П *). Однако, чтобы увеличить процент выхода годных изде лий, диапазон требуемых номиналов и уменьшить раз меры резисторов, нужно применять резистивные пасты нескольких типов, а геометрия резистора должна быть прямоугольной с отношением сторон, равным 1:3. На одну подложку сравнительно легко можно наносить до трех различных типов резистивных паст. Но цена произ водства в этом случае возрастает из-за понижения про цента выхода годных изделий.
Вычислим минимальные размеры площади резистора, необходимые для удовлетвореЦия требований к мощно сти рассеяния:
Л = 0,012 Р
где А — площадь резистора, мм2; Р — мощность, мВт.
Вычислим длину и ширину резистора по формуле
|
п |
РsL |
|
|
A — |
w |
, |
где R — сопротивление |
резистора, Ом; р5 — удельное |
||
сопротивление, Ом/П; |
L — длина резистора, мм; W — |
||
ширина резистора, мм. |
|
|
|
Для того чтобы иметь возможность проводить под гонку сопротивления резистора, его площадь должна быть не меньше 0,25 мм2. Кроме того, реальная площадь резистора должна превосходить расчетную с точки зре ния критериев к мощности рассеяния по крайней мере на 20%. Проведем аналогичное вычисление для каждого резистора в схеме.
‘) Удельное сопротивление Ом/П представляет собой сопротив ление условного резистора, длина которого равна его ширине.—
Прим. ред.
МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ |
43 |
Вычислим общую необходимую площадь, занимае мую резисторами:
A f === A f \ “Ь А г2 А тз “Ь • • * >
и общую площадь, занимаемую конденсаторами:
Ас = Асi Ас2 ir Ас3-{■
Вычислим также площадь, занимаемую активными приборами (диодами и транзисторами), увеличив длину и ширину чипов на 0,25 мм для облегчения их монтажа
А а — А А1 - f Аа2 + Ааз + • • • ♦
Тогда необходимая площадь, занимаемая резисто рами, конденсаторами и активными элементами схемы, будет равна
Аобщ. — Ат+ Ас + А А’
Для учета площади, занимаемой межсоединениями, необходимо увеличить величину вычисленной площади в 5 раз. Это последнее значение и будет давать размеры подложки рассматриваемой схемы. Отсюда при помощи табл. 2.1 определяются размеры необходимого корпуса.
2.3.Проектирование резисторов, конденсаторов
ипроводников
Резисторы. Выше подробно рассматривался метод расчета размеров резистора с точки зрения требований к значениям их номиналов и мощности рассеяния. В этом разделе обсуждается вопрос о влиянии геометрии рези стора. Учет отношения длины пленочного резистора L к его ширине W является очень важным при проектирова
нии толстопленочных резисторов. На фиг. 2.3 показаны две геометрии резисторов, которые обычно используются в толстопленочных гибридных схемах. Отношение сто рон L/W или W/L никогда не должно превышать 10. Его
лучше выбирать равным 3 или меньше.
Соотношение сторон оказывает сильное влияние и на конечное значение номинала резистора (табл. 2.2). В этой таблице приведены конечные значения сопротивления
44 |
Г Л А В А 2 |
резисторов, изготовленных из пасты с номинальным удельным сопротивлением 1000 Ом/П в зависимости от соотношения сторон резистора. В табл. 2.3 приведены аналогичные данные для резистивной пасты с удельным сопротивлением 10 000 Ом/П. Из этих таблиц видно, что с увеличением ширины резистора его удельное сопротив ление (в Ом/П) также увеличивается. Следует отметить,
---------------- L -----------------
>
i
У/,
г
а
б
Ф иг. 2.3. |
Толстопленочный резистор. |
|
|||
а —максимальное |
отношение |
LIW в ,0/ь |
номинальное |
отношение |
LIW » 8Л; |
б —максимальное |
отношение |
LjW = 10Л, |
номинальное |
отношение |
L/W = *Л. |
что если соответствующим образом подобрать ширину резисторов, то из различных резистивных паст можно из готовить резисторы одинаковых номиналов. Например, номиналы двух резисторов с шириной 0,75 мм и 2 мм могут быть одинаковыми, если они изготовлены из резистивных паст с удельным сопротивлением 1000 и 10 000 Ом/П соответственно. Аналогичные явления на блюдаются для большинства резистивных паст, исполь зуемых в настоящее время при изготовлении толсто пленочных схем. Поэтому перед проектированием гиб ридных схем необходимо дать полную характеристику
МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ |
45 |
тех типов резисторов, которые предполагается исподы зовать.
|
|
|
Таблица 2.2 |
Длина, |
Ширина, |
Сопротивле |
Удельное сопро |
мм |
мм |
ние, Ом |
тивление, кОм/П |
0,38 |
1,52 |
58,0 |
0,230 |
0,508 |
0,508 |
282 |
0,282 |
0,508 |
1,52 |
100 |
0,300 |
0,762 |
0,762 |
440 |
0,440 |
0,762 |
1,52 |
230 |
0,460 |
1,00 |
1,00 |
535 |
0,535 |
1,00 |
1,52 |
425 |
0,640 |
1,00 |
2,04 |
340 |
0,680 |
1,14 |
1,52 |
490 |
0,650 |
1,27 |
1,27 |
720 |
0,720 |
1,52 |
0,508 |
2400 |
0,800 |
1,52 |
2,04 |
1650 |
0,835 |
1,52 |
1,00 |
1250 |
0,835 |
1,52 |
1,52 |
800 |
0,800 |
2,04 |
0,508 |
3700 |
0,925 |
2,04 |
2,04 |
925 |
0,925 |
2,30 |
0,38 |
5600 |
0,935 |
2,54 |
0,254 |
8500 |
0,850 |
2,54 |
2,54 |
920 |
0,920 |
5,08 |
0,254 |
19 000 |
0,950 |
10,16 |
0,508 |
25000 |
1,250 |
Число различных резистивных паст на одной подложке должно быть сведено к минимуму. При этом, однако, необходимо принимать компромиссное решение при вы боре типа резистивной пасты и размера резисторов, с одной стороны, и количества годных изделий, с другой. Обычно на одну подложку наносятся три различных типа резистивных паст. Если использование каждого типа ре зистивной пасты связано с изготовлением отдельной мас ки или с дополнительной технологической операцией, то стоимость производства гибридных схем увеличивается.
46 |
ГЛАВА 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2.3 |
Длина, |
Ширина. |
Сопротивле |
Удельное сопро- |
мм |
мм |
ние, кОм |
тивление, OM/D |
0,380 |
1,52 |
0,825 |
3,3 |
0,380 |
0,358 |
0,550 |
5,2 |
0,508 |
0,508 |
4,2 |
4,2 |
0,508 |
1,52 |
1,85 |
5,5 |
0,762 |
0,762 |
9,5 |
9,5 |
0,762 |
1,52 |
4,8 |
9,6 |
0,762 |
2,54 |
3,6 |
12,0 |
1,000 |
1,14 |
11,3 |
11,3 |
1,14 |
1,52 |
8,2 |
12,3 |
1,00 |
2,04 |
7,0 |
14,1 |
1,00 |
2,54 |
6,1 |
15,2 |
1,14 |
1,52 |
10,6 |
14,1 |
1,27 |
1,27 |
14,5 |
14,5 |
1,27 |
2,54 |
9,1 |
18,2 |
1,52 |
0,508 |
40,0 |
13,5 |
1,52 |
0,762 |
30,0 |
15,0 |
1,52 |
1,00 |
24,0 |
16,0 |
1,52 |
1,52 |
16,2 |
16,2 |
1,52 |
1,54 |
10,7 |
18,0 |
2,04 |
0,508 |
65,0 |
16,3 |
2,04 |
2,04 |
18,0 |
19,0 |
2,04 |
2,54 |
16,5 |
20,5 |
2,30 |
0,380 |
98,0 |
13,0 |
2,30 |
2,54 |
19,0 |
21,0 |
2,54 |
0,254 |
120,0 |
12,0 |
2,54 |
2,54 |
18,0 |
18,0 |
5,08 |
0,254 |
260,0 |
13,0 |
10,16 |
0,508 |
400,0 |
20,0 |
С другой стороны, поскольку типичные электрические схемы содержат широкий диапазон номиналов резисто ров, то использование только одного типа резистивной пасты увеличит необходимую площадь подложки.
В проекте схемы могут быть замкнутые цепи из про водников и резисторов (фиг. 2.4,а). Но поскольку необ
М Е Т О Д Ы П Р О Е К Т И РО В А Н И Я |
47 |
ходимо предусмотреть возможность для измерений и под гонки резисторов к номиналу после их нанесения и вжигания, схема вначале изготовляется с разомкнутыми це пями, а после измерений и подгонки закорачивается про волочным соединением, как показано на фиг. 2.4,6.
а
Фиг. 2.4. Толстопленочный резистор.
а —в замкнутой цепи невозможен контроль отдельных резисторов; ff—пра* пильное конструирование с использованием привариваемой проволочной пере мычки для замыкания цепи.
При проектировании схемы следует избегать зигзаго образных резисторов или резисторов в форме меандра (фиг. 2.5). При такой геометрии на резисторе образуются области перегрева, а сопротивление резистора трудно подгонять к номиналу. Минимальный размер резистора
48 |
ГЛ А ВА 2 |
должен быть порядка 0,5 X 0,5 мм; однако резисторы должны быть по возможности большими для увеличения процента выхода годных изделий и облегчения их после дующей подгонки. Для обеспечения надежного электри ческого контакта резистор должен быть уже проводника
Фиг. 2.5. Толстопленочный резистор,
а —неправильная конструкция; б —правильная конструкция.
на 0,25 мм (по 0,125 мм с каждой стороны), а длина перекрытия резистора проводником должна быть не меньше 0,125 мм. На фиг. 2.6 приведен пример правиль ного проектирования резистора.
0.12SMM |
0,5мм - |
1
0,125мм
0,5мм
_L
Т
Фиг. 2.6. Толстопленочный резистор.
Для подгонки резистора воздушно-абразивной струей *) необходимо оставить промежуток между краем резистора и ближайшей контактной площадкой, длина которого должна быть не меньше 0,6 мм. Минимальное расстояние от края площадки до края резистора должно быть не меньше 0,25 мм. Для облегчения нанесения и подгонки резисторов их следует располагать вдоль на правлений координатных осей.
Поскольку толстопленочные резисторы после их на несения и вжигания обладают точностью в лучшем слу
*) Для подгонки резисторов широко используются также лазер ные установки. — П рим, ред,
МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ |
49 |
чае ±10% . их необходимо подгонять к номиналу. По этому при проектировании схемы эти резисторы должны обладать только 80% конечного значения сопротивления.
На фиг. 2.7, а приведена очень удобная для подгонки
конфигурация мощного резистора «со шляпкой». Если в результате подгонки резистор примет форму, показан ную на фиг. 2.7,6, то его сопротивление увеличится на 80%, тогда как площадь уменьшится всего на 15%, что заметно не ухудшит его мощностные характеристики.
|
|
|
|
Чг 1 |
Чг |
|
1 |
|
|
|
i |
1 |
|
|
1 |
1 1 |
|
Чг 1 |
1 |
|
1 1 |
I |
Чг |
||||
Фиг. |
2.7. |
Толстопленочный |
резистор. |
|
||
а —резистор до подгонки (5 квадратов); |
б —резистор после |
подгонки |
(9 квад |
|||
|
|
ратов). |
|
|
|
Конденсаторы. В толстопленочной технологии наибо лее практичны конденсаторы с малой емкостью. Исходя из основного уравнения для конденсатора
^ _ 8,85еЛ ( N - 1) |
КГ3 пФ, |
А |
|
где е — диэлектрическая постоянная; А — площадь, мм2; N — число обкладок; d — толщина диэлектрической плен
ки, мм, можно вычислить площадь, необходимую для из готовления конденсатора. Так, если требуется получить
емкость 5000 пФ, приняв е = |
1000 и d = 0,05 мм, находим |
А = |
28. |
Такой конденсатор будет |
иметь размер 5,5 X 5 мм, |
что намного превышает средние размеры активных и пассивных элементов микросхем. Отсюда видно, что наи более практичными будут конденсаторы с номиналом до 300 пФ.
В большинстве толстопленочных гибридных схем ис пользуются многослойные дискретные керамические кон денсаторы. На площади, необходимой для нанесения
Таблица 2.4
Керметные проводники
Специ Тниовые альные
Ширина |
проводников, м м .................. |
|
|
|
0,25 |
|
0,12 |
|||||
Расстояние между |
|
проводниками, |
|
|
0,25 |
|
0,12 |
|||||
м м ..................... |
|
|
...................................... |
|
|
|
|
|
|
|||
Размер |
контактных |
|
площадок, |
мм |
Не |
менее |
0,12 |
от |
||||
|
|
|
|
|
|
|
края |
подложки |
||||
Максимальный рабочий ток, А . |
. , |
I для проводника |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
шириной 0,5 мм |
|||||
Паразитная погонная емкость С р, |
|
|
|
|
|
|
||||||
пФ/мм (отнесенная к длине парал |
|
|
|
|
|
|
||||||
лельных |
проводников |
с зазором |
|
|
0,02 |
|
|
|||||
0,25 м м ).................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Тип контакта . . . . . .................. . |
Омический |
|
|
|||||||||
Удельное |
сопротивление, |
O M /D . . |
от |
0,005 |
до |
0,1 |
||||||
|
|
Размеры элементов многослойного |
монтажа |
|||||||||
Ширина |
проводников, м м .................. |
|
|
|
0,25 |
|
0,12 |
|||||
Интервал |
между |
проводниками, мм |
|
|
0,25 |
|
0,12 |
|||||
Размер |
окна, м |
м ................................... |
|
|
|
|
|
0,25 |
|
0,38 |
||
Число проводящих |
слоев . . . . . |
|
|
2 |
|
|
до 5 |
|||||
|
|
|
|
|
Электрические свойства |
|
|
|
||||
Проводники ................................................ |
|
|
|
|
|
|
<0,01 |
Ом/О |
||||
Диэлектрики |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
сопротивление |
изоляции . . . . |
|
|
|
< Ю 10 |
Ом |
||||||
напряжение |
п р о б о я |
|
|
|
|
< 200 |
В |
|||||
диэлектрическая |
постоянная . . |
|
|
|
1 0 -1 5 |
|||||||
коэффициент п о тер ь ...................... |
|
|
|
|
<1.5% |
|||||||
Емкость |
|
площадки |
со |
сторонами |
|
|
|
|
|
|
||
0,5 м |
м |
................................... |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
пФ |