Разработка конструкции и технологии изготовления полупроводниковой микросхемы выполненной в интегральном исполнении. Обоснование выбора технологии изготовления микросхемы, на основании которого разработан технологический процесс, топология кристалла.
В результате выполнения курсового проекта было разработана конструкция и технология изготовления полупроводниковой микросхемы выполненной в интегральном исполнении.
Введение
Существуют несколько разновидностей технологического изготовления интегральных микросхем (ИМС).
Гибридная технология - характеризуется тем, что пассивные элементы изготавливаются методом пленочной технологии. Основой является изоляционная пластина, на которую наносят резистивные изоляционные и проводниковые пленки. В результате получается конструкция в которой в качестве активных элементов используются бескорпусные диоды и транзисторы.
Тонкие пленки наносят методом вакуумного напыления либо другим методом. Толстые пленки наносят методом шелкографии, когда на нужные места подожки наносят обжигаемый слой пасты.
Недостаток: пониженная по сравнению с другими видами ИС плотность упаковки.
Преимущество: простота разработки и наладки новых функциональных схем (применяют для изготовления схем частного применения).
Гибридные ИС обладают рядом специфических особенностей, главная из которых является наличие навесных компонентов. Это связано с невозможностью промышленного изготовления пленочных транзисторов и прочих активных элементов. В ГИС реализуют высокие номиналы резисторов и конденсаторов, возможна их точная подгонка, что необходимо в измерительной и преобразовательной технике. Трудоемкость разработки ГИС значительно меньше, чем полупроводниковых ИС, технологическое оборудование для производства тонкопленочных структур, И особенно толстопленочных ИС дешевле.
Пленочная технология - характеризуется созданием пленочной ИС, имеющей подложку из диэлектрика (стекло, керамика и др.). Пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, катушки) и соединения между элементами, выполняются в виде различных пленок, нанесенных на подложку. Активные элементы не делаются пленочными, так не удалось добиться их хорошего качества. Таким образом, пленочные ИС содержат только пассивные элементы и представляют собой RC - цепи или какие либо другие схемы. Принято различать ИС тонкопленочные, у которых толщина пленок не более 2 мкм, и толстопленочные, у которых толщина пленок значительно больше. Подложки представляют собой диэлектрические пластины толщиной 0.5-1.0 мм, тщательно отшлифованные и отполированные.
Совмещенная технология - обладает преимуществом каждой из рассмотренных технологий и исключает свойственные им недостатки. Конструктивной основой является полупроводниковый кристалл в объеме которого формируются все активные элементы (транзисторы, диоды), пассивные элементы создаются методом вакуумного напыления пленок. Изолирующие области получают путем использования пленок SIO2 или с помощью p-n переходов.
Недостаток заключается в необходимости сочетания двух типов технологических процессов: диффузии примеси (активных элементов) и напыления для пассивных элементов, что приводит к возрастанию цены на изготовление ИС. Однако совмещенная технология позволяет получить высокую степень интеграции и представляет возможность выбора параметров пассивных элементов в широких пределах.
Полупроводниковая технология - характеризуется тем, что как активные, так и пассивные элементы схем выполняются внутри объема полупроводника, который и является основой интегральной схемы (ИС). Основным полупроводниковым материалом является кремний, который обладает рядом ценных свойств и за большей, чем у германия ширины запрещенной зоны позволяет получить активные элементы с меньшими обратными токами. Кремневые транзисторы обладают более высоким порогом отпирания, что повышает помехоустойчивость аналоговых и цифровых ИС.
Простота получения изолирующей поверхности достигается путем окисления исходной кремниевой пластинки и образование пленки двуокиси кремния. Эта пленка используется в качестве маски при проведении диффузии в отдельных областях кристалла, а также для создания изоляции между отдельными элементами схемы. Полупроводниковые ИС обеспечивают высокую степень интегрирования.
Стоимость элементов микросхемы, выполненной в интегральном исполнении по полупроводниковой технологии, в значительной степени определяется площадью, занимаемой ими на полупроводниковой пластине.
Номиналы элементов, имеющих дискретные прототипы, ограничены. Практически нецелесообразно использовать для массового производства ИС “чистые” резисторы с номиналом выше 50 КОМ. Конденсаторы с емкостью, превышающей несколько сотен пикофарад, приходится применять в виде отдельных навесных элементов. Желаемые номиналы резисторов не могут иметь малые допуски, хотя отношение сопротивлений одинаковых по форме резисторов на одной пластине можно выдержать довольно точно (1…2%), причем их температурная зависимость будет одинакова. Все элементы полупроводниковой структуры связаны между собой паразитными емкостями и проводимостями, что обусловлено плотной упаковкой и несовершенством методов изоляции элементов.
Преимущества полупроводниковых ИМС перед гибридными таковы: 1. Более высокая надежность вследствие меньшего числа контактных соединений, ограниченного количества используемых материалов, а также изза того, что полупроводниковую ИМС можно изготовить только из монокристаллической, сверхчистой, полупроводниковой структуры;
2. Большая механическая прочность в результате меньших (примерно на порядок) размеров элементов;
3. Меньшая себестоимость изготовления полупроводниковых ИМС вследствие более эффективного использования преимуществ групповой технологии
В полупроводниковых ИС в качестве активных элементов могут использоваться биполярные и униполярные (полевые) интегральные структуры. Полупроводниковые ИС с биполярными транзисторами отличаются более высоким импульсным быстродействием (или рабочей частотой). Полупроводниковые цифровые ИС с униполярными транзисторами со структурой МОП отличаются наиболее высокой плотностью упаковки элементов и наименьшей стоимостью изготовления. Биполярные транзисторы увеличивают стабильность схемы в широком диапазоне температур, позволяют реализовать наибольшее быстродействие и создать схемы с лучшей нагрузочной способностью. Биполярные структуры более устойчивы к электрическим нагрузкам.
Технология униполярных транзисторов позволят добиваться лучших шумовых характеристик [1, стр. 23].
Анализ технического задания
1.1 Анализ технических требований
В этом параграфе рассмотрено расширенное техническое задание на проектирование полупроводниковой интегральной микросхемы генератора напряжения в интегральном исполнении, в котором раскрыто содержание следующих пунктов: 1. Наименование изделия: полупроводниковая интегральная микросхема усилителя с непосредственной связью.
2. Назначение: Усилителями с непосредственной связью называют электронные схемы, усиливающие переменное напряжение требуемой формы [2, стр. 293].
3. Комплектность: одна микросхема.
4. Технические параметры: напряжение питания - 10В (постоянного тока).
5. Требования к конструкции: внешний вид интегральной микросхемы должен отвечать современным требованиям к использованию в необходимом оборудовании;
габаритные размеры микросхемы мм;
6. Характеристики внешних воздействий: окружающая температура 40 10?C; [12, стр. 384]. относительная влажность 30…85% при температуре 25?C; [12, стр. 384]. вибрационные нагрузки с частотой 10-2000Гц и максимальным ускорением 10-20g;
многократные удары длительностью 2-6мс с ускорением 75-150g;
линейные нагрузки (центробежные) с максимальным ускорением 25-2000g;
атмосферное давление - 85.0…106.7 КПА (650…80мм.рт.ст.). [12, стр. 384]. по климатическим условиям эксплуатации ей присваиваивается индекс - У(N) - умеренный.
7. Среднее время наработки до отказа должно быть не менее 15000 ч.
8. Тип производства - специализированный выпуск. [13, стр. 238].
1.2 Анализ электрической принципиальной схемы усилителя с непосредственной связью
Усилитель с непосредственной связью собран на транзисторах VT1, VT2 - прямой проводимости. Сигнал с входа поступает на разделительный конденсатор С1 и затем усиливаемый сигнал поступает на базу транзистора VT1. Смещенный сигнал поступает на RC фильтр, образующий отрицательную обратную связь. Далее сигнал поступает на транзистор VT2 и через фильтры включенные в коллекторную цепь поступает на выход схемы. Выходной сигнал снимают с резистора R7 и с общей точки минусовой шины.
1.3 Анализ элементной базы генератора напряжения
Параметры элементов схемы используемые при разработке ИМС приведены в таблицах 1.1 - 1.4.
Параметр Обозначение Единица измерения Данные о параметрах
Максимально допустимый постоянный ток коллектора Ikmax А 5
Максимально допустимый импульсный ток коллектора Ik, и max A 8
Постоянное напряжение коллектор - эмиттер при определенном сопротивлении в цепи база - эмиттер Uкэ R В 100
Постоянное напряжение коллектор - эмиттер Uкэ В 100
Граничное напряжение биполярного транзистора U кэо гр В 160
Сопротивление перехода база - эмиттер Rбэ КОМ 0.01
Постоянная рассеиваемая мощность коллектора Рк Вт 30
Постоянный ток базы Іб А 2
Постоянный ток эмитера Іэ А 2
Максимально допустимое постоянное напряжение коллектор - база Uкб max В 150
Максимально допустимое постоянное напряжение эмиттер - база Uэб max В 5
Коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером: отношение постоянного тока коллектора к постоянному току базы h21э - 15
Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером: частота, на которой h21э транзистора (включенного по схеме с общим эмиттером) равен единицы fгр МГЦ 10
Постоянный обратный ток коллектора Ікбо МА 60
Постоянный обратный ток коллектор - эмиттер при определенном сопротивлении в цепи база - эмиттер Ikэr МА 60
Постоянный обратный ток эмитера Іэбо МА 100
Напряжение насыщения коллектор - эмитер Uкэ нас В 2.5
Продолжение табл. 1.1
Напряжение насыщения база - эмиттер Uбэ нас В 2.5
Время рассеивания параметра биполярного транзистора трас мкс -
Время включения параметра биполярного транзистора твкл мкс -
Время включения параметра биполярного транзистора твыкл мкс -
Параметр Обозначение Единица измерения Данные о параметрах
Максимально допустимый постоянный ток коллектора Ikmax МА 150
Максимально допустимый импульсный ток коллектора Ik, и max MA 350
Постоянное напряжение коллектор - эмиттер при определенном сопротивлении в цепи база - эмиттер Uкэ R В 60
Постоянное напряжение коллектор - эмиттер Uкэ В 60
Сопротивление перехода база - эмиттер Rбэ Ом 10
Постоянная рассеиваемая мощность коллектора Рк МВТ 350
Коэффициент шума транзистора Кш Дб -
Постоянный ток эмитера Іэ МА 1
Максимально допустимое постоянное напряжение коллектор - база Uкб max В 90
Максимально допустимое постоянное напряжение эмиттер - база Uэб max В 5
Коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером: отношение постоянного тока коллектора к постоянному току базы h21э - 40…120
Продолжение табл. 1.2
Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером: частота, на которой h21э транзистора (включенного по схеме с общим эмиттером) равен ЕДИНИЦЫFГРКГЦ1
Постоянный обратный ток коллектора Ікбо МКА 1
Постоянный обратный ток коллектор - эмиттер при определенном сопротивлении в цепи база - эмиттер
Постоянный обратный ток коллектора - эмиттера Ікэо МКА 1
Время обратного восстановления: время переключения диода с заданного прямого тока на заданное обратное напряжение от момента прохождения тока через нулевое значение до момента достижения обратным током заданного значения Твос.обр мкс -
Максимально допустимая частота: наибольшая частота подводимого напряжения и импульсов тока, при которых обеспечивается надежная работа диода fmax КГЦ 5
Время обратного восстановления: время переключения диода с заданного прямого тока на заданное обратное напряжение от момента прохождения тока через нулевое значение до момента достижения обратным током заданного значения Твос.обр мкс -
Максимально допустимая частота: наибольшая частота подводимого напряжения и импульсов тока, при которых обеспечивается надежная работа диода fmax КГЦ 1.1
Выбор и обоснование конструктивных и технологических матриалов
Для изготовления полупроводниковых интегральных схем используют в большинстве случаев пластины монокристаллического кремния p- или n- типа проводимости, снабженными эпитаксиальными и так называемыми “скрытыми” слоями. В качестве легирующих примесей, с помощью которых изменяют проводимость исходного материала пластины, применяют соединения бора, сурьмы, фосфора, алюминия, галлия, индия, мышьяка, золота. Для создания межсоединений и контактных площадок используют алюминий и золото. Применяемые материалы должны обладать очень высокой чистотой: содержание примесей в большинстве материалов, используемых при изготовлении полупроводниковых микросхем, не должно превышать 10-5...10-9 частей основного материала.
Изменяя определенным образом концентрацию примесей в различных частях монокристаллической полупроводниковой пластины, можно получить многослойную структуру, воспроизводящую заданную электрическую функцию и до известной степени эквивалентную обычному дискретному резистору, конденсатору, диоду или транзистору. [1, стр. 24-25].
Необходимо отметить, что материал используемый для изготовления интегральной микросхемы должен определятся параметрами зависящими от свойств материала, а именно: оптических, термических, термоэлектрических, зонной структуры, ширины запрещенной зоны, положения в ней примесных уровней и т. д. Немаловажное значение играют электрические свойства полупроводникового материала: тип электропроводности, концентрация носителей заряда и их подвижность, удельное сопротивление, время жизни неосновных носителей заряда и их диффузионная длина.
К основным требованиям, которым должны удовлетворять все материалы, используемые в производстве интегральных МС, относятся: 1. стойкость к химическому воздействию окружающей среды;
2. монокристаллическая структура;
3. однородность распределения;
4. устойчивость к химическим реагентам;
5. механическая прочность, термостойкость;
6. устойчивость к старению и долговечность.
Важным фактором, который должен учитываться при определении возможности применения какого-либо материала или технологического процесса производства ИМС, является его совместимость с другими применяемыми материалами [1, стр.24,25, 27].
Приведем параметры некоторых проводящих материалов и параметры некоторых полупроводниковых материалов.
Таблица 2.1 - Физические и электрические параметры проводящих материалов[6]
Таблица 2.3 - Ширина запрещенной зоны (в ЭВ) элементарных полупроводников (при T=300K) [5, стр. 134]
Элемент Э
Бор 1.1
Углерод (алмаз) 5.6
Кремний 1.12
Германий 0.0665
Олово 0.08
Фосфор 1.5
Мышьяк 1.2
Сурьма 0.12
Сера 2.5
Селен 1.8
Тейлур 0.36
Йод 1.25
При изготовлении ИМС применение получили кремний, германий, арсенид и фосфид галлия, антимонид индия, карбид кремния. Наиболее распространенными в этой области является кремний, однако применение в изготовлении ИМС находят многие из перечисленных выше соединения.
Арсенид галлия GAAS, обладающий более высокой подвижностью электронов и большей шириной запрещенной зоны. Его применяют в ИС высокого быстродействия , в частности в микросхемах СВЧ, но главным образом для изготовления дискретных приборов СВЧ. Широкому применению этого материала в микроэлектронной технологии препятствует сложность его получения и обработки. Арсенид галлия GAAS , фосфид галлия GAP, карбид кремния SIC служат для изготовления светодиодных структур в оптоэлектронных ИС. Антимонид индия INSB , имеющий очень высокую подвижность электронов, является перспективным материалом для создания ИС очень высокого быстродействия. Однако изза малой ширины запрещенной зоны этого полупроводника работа таких микросхем возможна только при глубоком охлаждении [7].
Кремний кристаллизуется в структуре алмаза. В химическом отношении при комнатной температуре он является весьма инертным веществом - не растворяется в воде и не реагирует со многими кислотами в любых количествах, устойчив на воздухе даже при температуре 900?С, при повышении температуры - окисляется с образованием двуокиси кремния. Вообще, при нагревании кремний легко реагирует с галогенами, хорошо растворим во многих расплавах металлов. Атомы элементов валентностью 3,5 являются донорами и акцепторами, создавая мелкие уровни в запрещенной зоне. Элементы 1,2,6,7 вносят глубокие уровни в запрещенную зону и вносят изменения во время жизни неосновных носителей заряда. Акцепторный уровень расположен в верхней половине запрещенной зоны [5, стр.145-156].
В разрабатываемой МС в качестве подложки будет применяться кремний, у которого следующие преимущества перед германием: 1. Большая ширина запрещенной зоны, что дает возможность создавать резисторы с большими номинальными значениями;
2. Более высокие рабочая температура и удельные нагрузки;
3. Транзисторы работают при значительно больших напряжениях;
4. Меньшие токи утечки в p-n- переходах;
5. Более устойчивая к загрязнениям поверхность;
6. Пленка двуокиси кремния, созданная на его поверхности, имеет коэффициенты диффузии примесей значительно меньше, чем сам кремний [5. стр. 135-144,144-156].
Для разработки интегральной микросхемы генератора напряжения будем использовать следующие элементы и их соединениями: в качестве полупроводниковой пластины будем использовать кремний. В качестве акцепторной примеси будем использовать бор; фосфор и сурьма - как донорную примесь. В качестве изолирующего диэлектрика будет применяться двуокись кремния SIO2, которая в свою очередь характеризуется следующим: 1. образует равномерное, сплошное, прочное покрытие на поверхности монокристаллического кремния; допускает строгий контроль толщины и имеет коэффициент термического расширения, примерно равный такому же коэффициенту кремния;
2. защищает кремний от диффузии;
3. является изоляционным материалом с достаточной величиной диэлектрической постоянной;
4. легко стравливается или удаляется с локальных участков;
5. обеспечивает защиту поверхности кремния.
В полупроводниковых МС межэлементные связи осуществляются с помощью пленочных проводников. Материалы проводников должны обеспечивать низкоомный контакт к кремниевым электродам, обладать хорошим сцеплением с диэлектриком и кремнием, быть металлургически совместимым с материалами, которые применяются для присоединения внешних выводов к контактным площадкам. Основными материалами при получении соединений для полупроводниковых ИМС является золото и алюминий. В некоторых случаях находят применения никель, хром, серебро. Основным недостатком золота является его плохая адгезия к пленке двуокиси кремния. Поэтому в качестве материала для разводки и контактных площадок будем применять алюминий, который обладает хорошей адгезией к кремнию и его оксиду, хорошей электропроводностью, легко наносится на поверхность ИМС в виде тонкой пленки, дешевле. В качестве внешних выводов будем применять золотую проволоку, поскольку алюминий характеризуется пониженной механической прочностью.
Необходимо отметить, что одним из критериев выбора материала для подложки являются определенные требования, предъявляемые к подложкам в течение всего процесса изготовления микросхемы. Электрофизические характеристики монокристаллических полупроводниковых пластин и их кристаллографическая ориентация должны обеспечивать получение микросхем с заданными свойствами. Исходя из этого, на этапе проектирования выбирают необходимую ориентацию и марку полупроводникового материала, а в процессе изготовления пластин выполняют контроль кристаллографической ориентации и основных электрофизических параметров. В случае необходимости пластины классифицируют по значениям электрофизических параметров. Основные требования к пластинам кремния представлены в таблице 2.4
Таблица 2.4 - Основные требования к пластинам кремния[9, стр. 319]
Характеристика пластин Диаметр, мм Допустимые значения
Точность кристаллографической ориентации рабочей поверхности Отклонение диаметра Отклонение толщины от номинала в партии Отклонение толщины от номинала по пластине Длина базового среза Длина дополнительных срезов Непараллельность сторон (клиновидность) 76; 100 76 100 76; 100 76; 100 76 100 76 100 76; 100 ±0,5° ±0,5 мм ±(0,5…0,8) мм ±(10…20) мкм ±(5…10) мкм 20…25 мм 30…35 мм 9…11 мм 16…20 мм ±0,5 %
Неплоскостность Прогиб в исходном состоянии Прогиб после термоиспытаний Шероховатость рабочей стороны Шероховатость нерабочей стороны Механически нарушенный слой Адсорбированные примеси Атомы, ионы Молекулы 76 100 76 100 76 100 76; 100 76; 100 76; 100 76; 100 4…9 мм 5…9 мм 15…30 мм 20…40 мм 50 мкм 60 мкм Rx ? 0.05 мкм Ra ? 0.5 мкм Шлифовано-травленная Полное отсутствие Меньше 1012…1014 атом/см2; ион/см2 Менее одного монослоя
Отметим также, что проведение различных операций, таких как резка, шлифование свободным абразивом, механическое полирование и др. сопровождается нарушением слоя кремния у поверхности подложки и вглубь ее, что приведет к неправильным результатам дальнейших процессов. Поэтому существуют некоторые стандарты нарушения поверхности пластин кремния, которые недопустимо превышать. Ниже представлена таблица, которая содержит оптимальные нарушения поверхности подложки кремния[9].
После выбора материала подложки приступают к выбору материала примесей. Здесь важнейшим критерием является необходимый тип проводимости полупроводникового материала, после легирования. Ниже представлена таблица 2.6, в которой описаны все материалы, используемые в качестве примесей. Важными параметрами примесей является предельная растворимость полупроводника и температура, при которой производят процесс легирования (см. таблицу 2.10).
Таблица 2.6 - Электрическое поведение наиболее распространенных примесей в важнейших полупроводниках[9, стр. 318]
Кремний Германий Арсенид галлия Фосфид галлия H, N, C, Ge, Sn, Pb, Ar H, N, C, Ge, Sn, Pb, Ar H, N, B, Al, In, P, Sb H, N, B, Al, In, As, Sb P, As, Sb, Li P, As, Sb, Li Si, Sn, Te, S, Se Si, Sn, Te, S, Se B, Al, Ga, In B, Al, Ga, In Zn, Cd, Be, Li Be, Mg, Zn, Cd, C Cu, Au, Zn, Mn, Fe, S, Ni Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Mn, Ni, Fe, S, Se, Te Cr, Fe, V, Ni, Mg, Au, Ge, Mn, Ag Cu, O, Ge, Co, Fe, Cr,Mn
Для разработки интегральной микросхемы дифференциального каскада воспользуемся следующими элементами и их соединениями: в качестве полупроводниковой пластины будем использовать кремний; в качестве акцепторной примеси будем использовать бор и алюминий; фосфор - как донорную примесь. В качестве межэлементных соединений будем использовать алюминий. В качестве изолирующего диэлектрика будет применяться двуокись кремния SIO2.
Необходимо отметить, что при проектировании интегральной микросхемы производят совокупность определенных процессов, таких как фотолитография, легирование, очистка и др. При проведении этих процессов пользуются вполне определенным набором веществ. При проведении процесса фотолитографии используются фоторезисты, основные виды которых представлены в таблице 2.9. Травление осуществляется химическими веществами, которые описаны в таблице 2.8. При выборе материала для проведения шлифования, особое внимание акцентируют на размер зерен, от которого зависит качество шлифования и возможные повреждения поверхности полупроводникового материала в результате ее проведения. Основные типы порошков приведены в таблице 2.7
Таблица 2.7 - Характеристика абразивных и алмазных порошков
[9, стр.321]
Группа Номер зернистости Размер зерен основной фракции, мкм
1 - - - - - 10/7 7/5 5/3 3/2 2/1 1/0 10…7 7…5 5…3 3…2 2…1 1 и менее
Таблица 2.8 - Основные кислотные травители для кремния
[9, стр. 78]
Тип травителя Обьемный состав Применение Время травления
СР-8 СР-4А Травитель Уайта Травитель Деша HNO3:HF=2:1 HNO3:HF: :CH2COOH=5:3:5 HNO3:HF=3:1 HNO3:HF: :CH2COOH=3:1:8 Химическое полирование Химическое полирование и выявление границ p-n-переходов Химическое полирование плоскостей(111) Медленное химическое полирование любых плоскостей 1…2 мин 2…3 мин 15 с 1…16 ч
Таблица 2.9 - Характеристики некоторых фоторезистов[9, стр. 104]
Марка фоторезиста Разрешающая способность при толщине слоя 1 мкм Кислотостойкость по плотности дефектов, мм-2, не более Стойкость к проявителю, с Кинематическая вязкость в состоянии поставки при 20°С
Одним из важных моментов в разработке микросхемы является ее корпус. При выборе корпуса руководствуются конструктивно - технологическими характеристиками. Огромное влияние оказывает диапазон рабочих температур, механическая прочность, климатические условия, в котором, как предполагается, будет работать микросхема и т.д. Классификация корпусов ИС помещена в таблице 2.11. Конструктивно - технологические характеристики некоторых корпусов ИС помещены в таблице 2.12 .
При выборе корпуса внимание было акцентировано на универсальность и простоту монтажа схемы.
Кроме того, пластмассовые прямоугольные корпуса обладают рядом преимуществ перед остальными типами корпусов, регламентируемых ГОСТОМ 17-467-79. А именно: небольшая высота корпуса, позволяющая уменьшить объем радиоэлектронного узла: возможность создания корпуса с большим числом выводов; позволяют применять различные методы их присоединения к печатной плате.
Таблица 2.11 - Классификация корпусов ИС по ГОСТ 17-467-79
[7, стр 301]
Тип Подтип Форма корпуса Расположение выводов
1 11 Прямоугольная Выводы расположены в пределах проекции тела корпуса перпендикулярно, в один ряд
12 Перпендикулярно в два ряда
13 Перпендикулярно в три и более ряда
14 Перпендикулярно по контуру прямоугольника
2 21 Прямоугольная За пределами проекции тела корпуса Перпендикулярно в два ряда
22 Перпендикулярно в четыре ряда в шахматном порядке
3 31 Круглая В пределах проекции тела корпуса Перпендикулярно по одной окружности
32 Овальная В пределах проекции тела корпуса
33 Круглая За пределами проекции тела корпуса
4 41 Прямоугольная За пределами проекции тела корпуса Параллельно по двум противоположным сторонам
42 Параллельно по четырем сторонам
5 51 Прямоугольная В пределах проекции тела корпуса Металлизированные контактные площадки по периметру корпуса
Таблица 2.12 - Конструктивно - технологические характеристики некоторых корпусов ИС[7, стр. 301]
Условное обозначение корпуса Вариант исполнения Масса, г Размеры корпуса, мм Размеры монтажной площадки, мм
Низкая стоимость пластмассового корпуса определяется: дешевизной применяемого материала и технологии изготовления корпуса, в которой операции формирования монолитного корпуса и герметизации ИМС совмещены; возможностью автоматизации сборки с использованием плоских выводов в виде рамок; возможностью осуществления групповой технологии герметизации, например литьевого прессования с помощью многоместных прессформ или метода заливки эпоксидным компаундом в многоместные литьевые формы. При использовании пластмассового корпуса монтаж кристалла производится на технологическую контактную рамку, представляющую собой пластину с выштампованными внешними выводами, которые в процессе монтажа остаются прикрепленные к контуру рамки. Более длинный вывод заканчивается площадкой, находящейся в центре системы выводов, на нее припаивается кристалл. После монтажа термокомпрессионной сваркой проволочных перемычек между контактными площадками кристалла и выводами корпуса осуществляется предварительная защита собранного узла ( особенно проволочных перемычек) каплей компаунда холодного отвердевания. Когда отвердевание компаунда завершено, узел направляют на заливку под давлением во временной форме компаундом горячего отвердевания. После герметизации технологическая рамка отделяется в штампе, а выводы формуются соответственно типоразмеру изготавливаемого пластмассового корпуса.
Выводы в технологических рамках целесообразно выполнять в отрезках ленты длиной до 250 мм на несколько микросхем. Это облегчает автоматизацию процесса монтажа, а также обеспечивает загрузку многоместных форм для заливки компаундом. Для крепления кремниевых кристаллов на основание корпуса наиболее широкое распространение получил метод пайки эвтектическим сплавом золота (98% Au) с кремнием (2% Si) c температурой плавления 370ОС. Такой сплав образуется в месте соприкосновения кремния с золотым покрытием основания корпуса благодаря взаимной диффузии золота и кремния. Более дешевым методом является клейка кремниевых кристаллов на основание корпуса(например клеем ВК-9 ) [8].
Для присоединения выводов к контактным площадкам кремниевых ИМС и внешним выводам корпуса прибора используется метод УЗ-сварки. Метод состоит в присоединении выводов в виде тонких металлических проволочек (диаметр 10…30мкм) к контактным площадкам при одновременном воздействии инструмента, совершающего высокочастотные колебания. Для изготовления проволоки применяются пластические металлы, обычно алюминий и золото. В качестве материала проволоки выбираем более дешевый алюминий. Достоинства такой сварки - соединение без применения флюса и припоев металлов в твердом состоянии при сравнительно низких температурах и малой их деформации 10…30% как на воздухе, так и в атмосфере защитного газа.
3. Конструктивные расчеты
3.1 Расчет параметров транзисторов
Таблица 3.1.1 Исходные параметры транзистора КТ805А Наименование параметра значение Единица измерения hб -глубина залегания р-n перехода база-коллектор см hэ - глубина залегания эмиттерного р-n перехода 0.8 см hk- толщина коллекторной области см
- концентрация донорной примеси в эмиттерной области на поверхности
- концентрация донорной примеси в эмиттерной области у эмиттерного перехода
- поверхностная концентрация акцепторов в базе
- концентрация донорной примеси в коллекторе
- удельное объемное сопротивление коллекторной области
- удельное поверхностное сопротивление пассивной области базы ?
- удельное поверхностное сопротивление активной области базы ?
- диффузионная длина дырок в эмиттере см
- коэффициент диффузии дырок в эмиттере
- диффузионная длина электронов в базе см
- коэффициент диффузии электронов в базе
- диффузионная длина дырок в коллекторе см
- коэффициент диффузии дырок в коллекторе
- концентрация носителей зарядов в собственном полупроводнике
Основные параметры дрейфового транзистора при малых уровнях токов определяются по формулам, которые помещены ниже. Размеры транзистора определяются, исходя из особенностей конструкции и величины ? (обычно принимают ?=3…4 мкм).
Ширина эмиттера Rэ=3?, площадь эмиттера Sэ=300 мкм2
Длина эмиттера:
; (1)
мкм
Длина базы:
(2)
Значения омических сопротивлений областей транзистора можно оценить по формулам :
(3)
Ом
(4)
Ом где Кк = 0 для конструкции с одним базовым контактом; , -удельное поверхностное сопротивление пассивной и активной областей базы, Ом/?; (100 - 300) Ом/?; (1 - 10) КОМ/?; hk - толщина коллекторной области , см,(2 -10) мкм; hб - глубина залегания p-n - перехода база - коллектор, см, (1 - 3) мкм; ?к - удельное объемное сопротивление коллекторной области Ом*см; (0,1 - 1)
Ширина базы составляет :
(5) где =(0,5 - 2,5) мкм мкм
Коэффициент переноса вычисляется по формуле:
(6) где - диффузионная дл
Вывод
В результате выполнения курсового проекта было разработана конструкция и технология изготовления полупроводниковой микросхемы выполненной в интегральном исполнении. Был произведен расчет элементов схемы, предусматриваемой заданием курсового проекта, их анализ. Разработана топология кристалла приведенная в приложении. Кроме того, был сделан обоснованный выбор технологии изготовления микросхемы, на основании которого разработан технологический процесс. Комплект чертежей ИМС и сборочный чертеж микросхемы в корпусе также приведены в приложении.
Список литературы
1. С.В. Якубовский, Н.А. Барканов, Л.И. Ниссельсон и др., “ Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы. Справочное пособие”;Под ред. С.В. Якубовского. - 2 - е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1985. - 432 с., ил.(Проектирование РЭА на интегральных микросхемах).
2. У. Титце, К. Шенк “ Полупроводниковая схемотехника”. Пер. с нем. - М.: Мир, 1983. - с., ил
3. Б.И. Горошков “Радио - электронные устройства: Справочник. - М.: Радио и связь, 1984. - 400с., ил. - (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1076).
4. А.А. Бокунян, Н.М. Борисов, Р.Г. Варламов и др., “Справочная книга радиолюбителя - конструктора ”.; Под ред. Н.И. Чистякова. - М.: Радио и связь, 1990. - 624 с.: ил. - (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1147)
5. В.В. Пасынков, В.С. Сорокин “Материалы электронной техники”. - 2 - е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. Шк., 1986. - 367 с., ил.
6. Капельян С.Н., Малашонок В.А. Физика. Пособие для подготовки к централизованному тестированию.
8. Р.А. Бейлина, С.А. Тарасов, Т.В. Молодечкина Методические указания по курсовому проектированию по дисциплине “Конструирование и технология микросхем и микропроцессоров” для студентов специальности Т.08.01.00
9. Малышева И.А. Технология изготовления интегральных микросхем. Учебник для вузов.Москва “Радио и связь”1991.-344 с
10. Березин А.С. Мочалкина О.Р. Технология и конструирование интегральных микросхем. Учебное пособие для высших учебных заведений. Москва.1992.
11. Коледов Л.А., Волков В.А., Докучаев Н.И., Ильина Э.М., Патрик Н.И. “Конструирование и технология микросхем”.
12. Типовые компоненты и датчики контрольно - диагностических свойств: Учебно - методический комплекс для студентов специальности Т - 39.02.01. (Сост. Д.А. Довгяло - Новополоцк ПГУ, 2004 -384 с.).
13. Проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры: Учеб. пособие для вузов/ Е.М.Парфенов, Э.Н. Камышняя, В.П. Усачев. - Радио и связь, 1989. - 272 с.: ил.
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
