1. Проектирование
гибридных микросхем
Кутлин Н.Х.
Куншин С.Е.

2. Введение
Классификация конструкций РЭА

“Нормальная
конструкция”
базируется
на
ламповой
технике,
дискретных
компонентах, технологии объемного монтажа с ручной сборкой.

“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.

“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.

“Микромодульная конструкция” - основным элементом которой, является микро плата
стандартного размера с нанесенными на нее одного или нескольких микроэлементов и
соединенных между собой проволочными выводами.

“Микроэлектронные
интегральные
схемы”
-
это
конструктивно
законченное
изделие
электронной техники, содержащее совокупность электрически связанных между собой
ЭРЭ, изготовленных в едином технологическом цикле.

3. Введение
Классификация интегральных микросхем (ИМС)
по конструктивно-технологическому признаку
ИМС
Пленочные
ИМС
Тонкопленочные
ИМС
Толстопленочные
ИМС
Гибридные
ИМС
Прочие
ИМС
Полупроводниковые
ИМС
Биполярные
ИМС
МДП ИМС
Совмещенные
ИМС

4. Введение
Классификация интегральных микросхем
по степени интеграции

5. Тема 1
Этапы проектирования РЭА на ИМС

Разработка ТЗ

Синтез функциональной схемы (ФС)

Обоснование выбора физических методов
реализации функциональных преобразований

Синтез электрических схем

Разработка конструкции ИМС и технологии их
изготовления

6. Тема 1
Условия работоспособности ИМС
y1 ( x1 , x2 ,...xn ) a1
y 2 ( x1 , x2 ,...xn ) a2
...........................
y m ( x1 , x2 ,...xn ) am
xi и yi – соответственно параметры элементов ИМС
и выходные параметры ИМС, являющиеся в общем
случае случайными величинами;
ai
работоспособности,
неслучайными
величинами.
являющиеся
– границы

7. Тема 1






Этапы инженерного расчета ИМС
статистический расчет компонентов ИМС для
определения параметров активных и пассивных
элементов, напряжений питания, потребляемой
мощности, помехоустойчивости и так далее;
анализ динамических характеристик элементов
ИМС;
статистический расчет характеристик ИМС с учетом
технологического
разброса
параметров
компонентов, разработка требований к параметрам
ИМС;
расчет геометрии элементов и формирование
требований к технологическому процессу;
расчет
оптимальной
топологической
карты
размещения элементов;
выбор и обоснование системы защиты ИМС –
корпусирование, заливка и так далее.

8. Тема 2
Оптимальное число элементов на плате
N опт
1
ln P1N1 P2N 2 ...PkN k

где N1, N2, ... Nk – число элементов в каждой из
K групп;

P1, P2, ... Pk – средние вероятности
изготовления годного элемента в каждой из
этих групп;

9. Тема 3
Пленочные резисторы
l
2
1
l*
2
1
l
a
b
b
3
3
d
а)
б)
1 - резистивная плѐнка;
2 - плѐночный проводник;
3 – области контактов.

10. Тема 3
Пленочные резисторы типа меандра
оптимальное число звеньев
nопт
lср t B L
Выбор материала резистивной пленки
n
2
i 1
b
0опт
Ri
n
( Ri
l
i 1
, где
i
2
i
)
1
2
i
2
Ri
2
0
2
bi
2
Li

11. Тема 3
Модель контактного перехода между резистивной пленкой толщиной
и шириной b, перекрываемой проводящей пленкой на длине l*
проводник
l*
dx
I0
R
Распределение потенциала по
координате x
d 2U
dx 2
0
R
U
Сопротивление перехода
Rпер
0
b
R
1
thl * m
Суммарная мощность, рассеиваемая единицей площади контактного
перехода
PK
I 02 0
(1 cth2ml )
b2

12. Тема 3
Зависимость степени
Зависимости сопротивления
уменьшения плотности тока
расширенной зоны от
от геометрии контактной
степени расширения
зоны

13. Тема 3
Конструкции пленочных резисторов для ступенчатой подгонки
сопротивления
b
l0
l
а)
б)

14. Тема 3
Точность отношения резисторов
1 – основной
пленочный резистор;
2 –пленочный
резистор точной
подгонки;
3 –пленочный
резистор грубой
подгонки.
b
R1
R2
b1
1
1
2
2rb1b2
, где
b2
b1

15. Тема 3
Крутизна подгонки
сопротивления резистора
точной подгонки
Сопротивление резистора точной
подгонки Rтmax при максимальной
глубине прорези xт

16. Тема 3
Крутизна подгонки
сопротивления резистора
грубой подгонки
Сопротивление резистора грубой
подгонки Rтmax при максимальной
глубине прорези xт

17. Тема 4
Конструкции пленочных конденсаторов
3
B
3
A
К
S
S
1
2
A
1
2
а)
в)
B
б)
Емкость пленочного конденсатора
C
0
4
S
d
0.0885 n
d
S
– относительная
диэлектрическая
проницаемость диэлектрика
S – площадь перекрытия обкладок; d – толщина диэлектрика;
n – количество диэлектрических слоев

18. Тема 4
Емкость планарного конденсатора
а
в
E
п
п
d
L
С
0.0422 l
П
З
2
d
th
4 n
cth
( d / 2 b)
,
2 n
и п - проницаемости материала
покрытия металлизированных
областей и подложки
З

19. Тема 4
Конструкция прецизионного конденсатора
С1
С3
С2
Сн.ч
С н.ч
С1
С4
Сi
Сn
б)
а)
Емкость не подгоняемой части
конденсатора
С НЧ
С0
1 3
Емкость подгоночной секции
C
С
C
1 3
C

20. Тема 5
Тонкопленочные RC-структуры с распределенными параметрами
Структура типа RC-NR
1
Структура типа CR-NC
2
3
3
R
R
Д
Д1
1
2
NR
3
C
R
1
C
4
NС
Д2
NR
3
1
2
4
4
4
Одномерная модель RC-NR структуры
I1
U1
I2
RdX
I1 - d I
dI
CdX
NRdX
I 2 + dI
U2
d 2U 1
dx 2
j ( N 1) R( x)C ( x)U 1 ,
l
J 1, 2
 j c U 1dx,
0
dX
0 < x < l – длина структуры
R(x) и C(x) – соответственно сопротивление и емкость структуры на единицу длины
2

21. Тема 5
Решения системы уравнений для однородных RC-структур с
трехполюсным включением
Ва
ри
ан
т
Схема
включения
А-матрица
R
1
C
U1
ch
C
3
R
U1
U1
U2
sh
ch
1
sh
ch
sh
Функция
передачи
T( )
ch
R sh
ch
ch 1
sh
ch 1
ch 1 R sh
T( )
ch 1
ch 1
sh
2
2
sh
sh
R ch 1
ch 1 ch 1
R sh
2
sh
sh
ch 1 R
ch 1
ch
sh
ch
sh
sh
R ch 1 ch 1
1
ch
ch 1
ch
2
C
R
ch
R sh
1
sh
sh
U2
R
2
R
Z-матрица
U2
PRC
RC
j RC
T( )
1
2

22. Тема 5
Варианты схем режекторных фильтров на основе RC-структур
1
2
S
dU1
U1 d
U
1
NR
U2
U
R
1
C
U2
U
1
R
C
C
U2 U1
NC
0
0
0
0,338
0,338
0,0936
0,0938
11,187
0,0562
17,786
11,187
0,0562
17,786
30,8
4,58
0,218
30,8
4,58
0,218
1
1
1
1
1
RC
N
1/N
U2
U1 0
0
U2
U1
C
4
NR
R
R
Параметр
3
NC
1
1
N
0
1
N
0
U2

23. Тема 5
Z-матрица для схемы №1
cth pRC
Z
R
pC csh pRC
R1
R
R1
R
pRC
pRC
Траектория движения нулей при
изменении коэффициента N
csh pRC
cth pRC
R1
R
R1
R
pRC
pRC
R1
NR
Зависимость частоты
минимальной передачи фильтра
от коэффициента N

24. Тема 5
Продольное сечение RC-структуры в зависимости
от направления смещения
/
L
L
L
/
L
L
L
R
R
а)
б)
Соответствующие им схемы фильтров
R
R
R1
R2
C
R0
а)
C2
C
C1
R0
б)

25. Тема 5
Функция передачи
RC-структур
T
1 N ( sh
N sh
ch
ch
для схемы а
N=R0/R; = С2/С
= R1/R
ch )
sh (
для схемы б
= С1/С
= R2/R
R
R
R1
R2
C
R0
C2
C
C1
а)
R0
б)
Условие нулевого баланса
1 N ( sh
ch )
0
Траектория движения нулей при изменении
коэффициента для различных значений N
)

26. Тема 5
Зависимость частоты режекции от изменения параметра
настройки для различных значений N

27. Тема 5
Избирательные RC-усилители
k0
U1
U4
U2
U3
Коэффициент передачи

T p
К0
1
K0
( )K 0
коэффициент усиления усилителя при отсутствии избирательной
цепи обратной связи
( )
коэффициент передачи цепи обратной связи

28. Тема 5
Зависимость предельного
относительного изменения
параметров от коэффициента
усиления
Зависимость частоты
максимума и добротности от
коэффициента усиления К0
Добротность RC-усилителя Q
1
K 0 S0
2
крутизна АЧХ режекторного
фильтра вблизи нулевой частоты
S0
P
11,8
1
1
RC
4 Q
частота максимума

29. Тема 5
Схема Кервина
R
Uвх
C
+k
U вых
Функция передачи напряжения
при холостом ходе
TQ
Q
K
K (1 K )chQ
pRC
3RC
Траектория движения доминирующих
полюсов от коэффициента усиления K
для различных значений емкости C RCструктуры с распределенными
параметрами

30. Тема 5
Схема Джонсона
R
C
Uвх
+k
R1
U
вых
Траектория движения
доминирующего полюса при
изменении коэффициента
усиления
a1
a2
jwRC
Функция передачи схемы
T
K
K (1 K )ch
sh
K
= R/R1
sRC

31. Тема 5
Активный фильтр нижних частот
Траектория движения
доминирующего полюса при
изменении коэффициента
m
R1
+k
R2
jwRC
С1 С 2
Uвых
U вх
R3
K=1,0
m=0,1
a
a
Функция передачи
T
(1 K )( B1B2
K=1,01
m=0,05
K ( B2 mM 2 )
m 1 A1M 2 ) K B2 (1 K )( mB1M 2
m
R2
; R2
R1
Ai
sh i ; Bi
R1
R;
ch i ; M i
R3
;
R1
i
sRC
M 1B2 ) K ( M 1 n1M 2 )
p Ri Ci ;
Ai
; i 1,2.
Bi

32. Тема 5
Активный режекторный фильтр
Номограмма для определения
доминирующих полюсов схемы
R
+k
C
Uвх
R0
C1
R1
Uвых
дб
0
Активный РФ К=1
-10
Пассивный РФ
-20
-30
-40
-50
0,1
1
10 wRC

33. Тема 6
Погрешности выходного параметра от физических и
геометрических параметров элементов
2
2
R
2
0
2
0
2
0П
n
i 1
b
А20i
2
0ср
2
l
2
j
2
2
2
C
l
C уд
n
А
i 1
b
2
n
i 1
А 0i
2
lП
2
jП
2
n
Аl2
i
i 1
li2
n
i 1
2
bП
b
А2
ji
2
bср
2
j ср
2
n
Аli
i 1
2
bi
2
i
2
li
n
i 1
2
А ji
S
2
bср
n
Аbi
i 1
bi
2

34. Тема 6
Графический способ определения коэффициента корреляции
1П
;
П
2П
cos
1CP
1CP
2 CP
1
СР
2CP
r1
2
2
для комплекса из n резисторов
коэффициент корреляции rij равен
3
kcp i
rij
kcp j
k 1
Ri
Rj
k – номер фактора; i j

35. Тема 6
Погрешность выходного параметра за счет геометрических
размеров резисторов
n
2
Ф
i 1
Ai2
bi2
2
b
K
2
l
2
Фi
Ai A j
2
i j
2
bср
bi b j
2
l ср
K Фi K Ф j
Погрешность выходного параметра за счет сопротивления
квадрата резистивной пленки
2
1
Ф
0
n
2
b
i 1
Ai2 Ri
Si
2
Ai Aj Ri R j
2
bср
i j
n
0
Si S j
2
l
i 1
Ri
Ai2 Si
2
Ai Aj
2
lср
i j
Ri R j Si S j
Оптимальное значение сопротивления квадрата резистивной
пленки
n
b
0опт
i 1
n
l
i 1
Ai2 Ri
Si
Ri
Ai2 S i
Ai A j Ri R j
2
2mb
2
l
i j
2m
i j
Si S j
Ai A j
Ri R j S i S j
mb =
ml =
bср/ b
lср/ l,

36. Тема 6
Технологические данные и ограничения

последовательное нанесение слоѐв плѐночной структуры

оригинал топологи ГИС должен выполнятся в прямоугольной системе координат в масштабе 10:1 или
20:1

при разработке топологических чертежей должны предусматриваться поля. При масочном методе не
менее 0,5 мм, при фотолитографии не менее 1мм

для совмещения элементов, расположенных в разных слоях, предусматривают перекрытие не менее
200мкм при масочном методе и 100мкм при фотолитографии

для измерения номиналов элементов предусматриваются контактные площадки размером не менее
200 200мкм

компоненты устанавливают на расстоянии не менее 0,5 мм от плѐночных элементов и не менее 600мкм
от контактной площадки; минимальное расстояние между компонентами составляет 300мкм

длина проволочных выводов компонентов 600мкм-3мм; не рекомендуется делать перегиб вывода
через навесной компонент

минимальное расстояние между пленочными элементами 300мкм при масочном методе и 100мкм при
фотолитографии

минимально допустимая ширина плѐночных резисторов и проводников составляет 200мкм при
масочном методе и 50мкм при фотолитографии

37. Тема 6
Характеристики материалов подложек гибридных ГИС
Характеристика
Материал
Керамика
Глазурование
Поликор
22ХС(96
AL2O3)
С48-3
С41-1
Класс
чистоты
обработки
поверхности
14
14
13 14
14
12
12 14
14
Температурный
коэффициент
линейного
расширения
ТКЛР( 107)
при
Т=20 300 С,град1
Коэффициент
теплопроводност
и, Вт/(м С)
41 2
48 2
50 2
55
60 5
70 75
1
1,5
1,5
7 15
10
Диэлектрическая
проницаемость
при
f=106Гц
и
Т=20 С
7,5
3,2 8
5 8,5
3,8
Тангенс
угла
диэлектрических
потерь ( 104) при
f=106Гц и Т=20 С
20
15
20
Объѐмное
сопротивление
при
Т=25 С,
Ом см
1017
1014
Электрическая
прочность, кВ/мм
40
40
Полимид* ПМ-1
Металл*
Плавленный
кварц
Ситал СТ50-1
Стекло
Брокери
т
(98
BeO)
12 14
12 14
73 78
Высота
микроне
ровност
ей
0,45мкм
70
62
200
30 45
1,2 1,7
210
40
4,5
10,3
10,5
13 16
6,4 9,5
6 7
3,5
--
6
10
18
16
6
30
--
1015
--
--
--
1014
1014
1017
--
--
50
--
50
20
--
15

38. Тема 6
Характеристики многокомпонентных систем тонкоплѐночных
проводников и контактных площадок
Материал подслоя и покрытия
Толщина
мкм
Подслой – нихром Х20Н80
Слой – золото Зл999,9
0,01 0,03
0,6 0,8
Подслой – нихром Х20Н80
Слой
–
медь
(вакуумплавленая)
Покрытие – никель
Подслой – нихром Х20Н80
Слой
–
медь
(вакуумплавленая)
Покрытие – золото Зл999,9
Подслой – нихром Х20Н80
Слой – алюминий А97
Подслой – нихром Х20Н80
Слой – алюминий А97
Покрытие - никель
МВ
0,01 0,03
0,6 0,8
0,02 0,04
МВ
0,08 0,12
0,01 0,03
0,6 0,8
0,02 0,04
0,05 0,06
0,01 0,03
0,3 0,5
0,04 0,05
0,25 0,35
0,05
слоѐв,
Удельное
поверхностное
сопротивление
s, Ом/
0,03 0,05
0,06 0,1
0,1 0,2
Рекомендуемый способ
контактирования
внешних выводов
Пайка микропаяльником
или сварка импульсным
косвенным нагревом
Сварка
импульсным
косвенным нагревом
Пайка микропаяльником
или сварка импульсным
косвенным нагревом
Сварка
сдвоенным
электродом
Сварка
импульсным
косвенным нагревом

39. Тема 6
Характеристики материалов, применяемых для защиты
элементов
Материал диэлектрика
Удельная
Тангенс угла
Удельное
Электриче
Температурны
ѐмкость С0,
диэлектричес
объѐмное
ская
й
пФ/мм2
ких потерь на
сопротивлени
прочность
коэффициент
f=1кГц, tg
е
Епр 10-5,
ѐмкости
В/см
ТКС 104 при
Ом см
v
10-12,
Т=-60 85 С,
град-1
Моноокись кремния
17
0,03
1
30
5
Халькогенидное
стекло
50
0,01
1
4
5
фоторезист
12
0,01
1
1
5
Фоторезист ФН-11
50-80
--
3
6
--
Лак
80-100
--
2
5
--
Окись кремния
100
--
10
6
--
Паста ПД-3
160
0,002
--
5
3
Паста ПД-4
220
0,003
--
5
3
ИКС-24
Негативный
ФН-108
полимерный
электроизоляционный

40. Тема 6
Типоразмеры плат
№
Шири
типор
Длина №
на
типор
Шири
Длина №
на
типор
азмер
азмер
а
Длина
№
Шир
Длин
типора
ина
азмер
а
Шир
ина
а
змера
а
1
96
120
6
20
24
11
5
6
16
8
10
2
60
96
7
16
20
12
2.5
4
17
24
60
3
48
60
8
12
16
13
16
60
18
20
45
4
30
48
9
10
16
14
32
60
19
20
45
5
24
30
10
10
12
15
8
15
Размеры указаны в миллиметрах

41. Тема 6
Конструктивно-технологические характеристики корпусов
для герметизации гибридных ИМС
Условное обозначение
корпуса
1203(151.14-2,3)
1203(151.15-1)
1203(151.15-2,3)
1203(151.15-4,5,6)
1206(153.15-1)
1207(155.15-1)
1210(157.29-1)
ТРОПА
ПЕНАЛ
АКЦИЯ



Вариант
исполнения
Масса, г,
не более
Размеры монтажной площадки, мм
МС
МС
МС
МС
МС
МС
МС
МП
МП
МП
1,6
2,0
1,6
2,4
2,8
6,5
14,0
1,5
2,4
1,8
15,6 6,2
17,0 8,3
15,6 6,2
14,0 6,2
17,0 15,3
16,8 22,5
34,0 20,0
8,1 8,1
20,1 8,1
16,1 10,1
Мощность
рассеивания
при температуре 20 С, Вт
3,2
1,6
3,3
3,2
2,0
2,5
4,6
0,7
0,6
0,5
Метод герметизации корпуса
КС
АДС
КС, АДС
КС
АДС
КС
ЛС
ЗК
ЗК
ЗК
МС и МП – металлостеклянные и металлополимерные корпуса
для посадки платы в корпус используют клей холодного отверждения
КС, АДС, ЛС, ЗК – конденсаторная, аргонодуговая, лазерная сварка и заливка
компаундом соответственно

42. Тема 7
Принципы практического проектирования и компоновки
топологической структуры ГИС

минимизация площади, занимаемой
элементами, компонентами и схемы 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

43. Тема 7
Способы монтажа компонентов на плату

44. Тема 7
Способы установки транзисторов на плату
Способы установки на плату бескорпусных диодных
матриц, диодных сборок, диодов

45. Тема 7
Способы монтажа конденсаторов на плату
Расчет ориентировочной площади платы
n
S
k
i 1
k
k
S RI
j 1
m
SCJ
i 1
r
SKI
i 1
S HK I
коэффициент запаса по площади (2-3);
S RI , SCJ , S K I , S HKI
площади, занимаемые резисторами, конденсаторами,
контактными площадками и навесными компонентами соответственно

46. Тема 7
Основные принципы разработки коммутационной схемы
соединений

упрощение конфигурации электрической схемы для уменьшения числа
пересечений и изгибов линий

выделение на преобразованной схеме пленочных и навесных элементов

снабжение
электрической
схемы
внутренними
и
периферийными
контактными площадками

рассмотрение пассивной части как графа, вершинами которого являются
контактные площадки, а ребрами
пассивные элементы электрической
цепи. Преобразование исходной схемы осуществляется перекладыванием
ребер
графа
до
тех
пор,
пока
число
пересечений
внутрисхемных
соединений не будет сведено к минимуму. При этом одновременно решают
задачу
взаимного
равномерного
расположения
расположения
элементов
периферийных
и
соединений
контактных
кратчайшего пути прохождения электрического сигнала
с
учетом
площадок
и

47. Тема 7
Пример разработки коммутационной схемы соединений