МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО
СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ

ТАГАНРОГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра конструирования радиоэлектронной аппаратуры











РУКОВОДСТВО
к выполнению работы расчетно-графического практикума
КОНСТРУИРОВАНИЕ ГИБРИДНЫХ
ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
по курсу
КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ МИКРОСХЕМ
И МИКРОЭЛЕМЕНТОВ ЭВА
Для студентов специальности 0648














Таганрог 1999

УДК 621.382.81
Руководство к выполнению работы расчетно-графического практикума
Конструирование гибридных интегральных микросхем по курсу
Конструкции и расчет микросхем и микроэлементов ЭВА. Для студентов
специальности 0648. Под ред. М. Ф. Пономарева.
Коноплев Б. Г.
Таганрог, ТРТИ, 1981.
Методические указания содержат руководство для выполнения расчетно-
графической
работы
Конструирование
гибридных
интегральных
микросхем и включают описание особенностей конструкции микросхем,
методики
проектирования,
правила
оформления
конструкторской
документации. В приложениях приведены основные справочные данные и
рассмотрен пример разработки гибридной интегральной схемы (ГИС).
Руководство может также использоваться студентами специальности
0705 при выполнении курсового проекта по курсу Конструкции и
технология микросхем.
Табл. 8, ил. 18, библиогр. 10.
Составил Б. Г. Коноплев
Рецензент Ю. Ф. Блинов, канд. техн. наук, доцент кафедры ТРЭА ТРТИ.

2


1. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАСЧЕТНО-
ГРАФИЧЕСКИХ РАБОТ И СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТОВ
Целью лабораторного расчетно-графического практикума является
изучение конструкций и характеристик интегральных микросхем и
развитие у студентов навыков конструирования и расчета гибридных
пленочных (ГИС) и полупроводниковых (ИПС) микросхем [1 - 5].
Лабораторный практикум включает выполнение двух работ. При
выполнении первой работы проводятся расчет и конструирование ГИС, в
которой используется в качестве компонента бескорпусная ИПС,
разрабатываемая при выполнении второй работы.
Студентам выдаются технические задания на проектируемые
микросхемы малого уровня сложности и схема электрическая
принципиальная реализуемого устройства. На электрической схеме
выделена часть устройства, которую надлежит реализовать в виде ИПС.
Работу начинают с анализа технического задания и электрической
схемы. В результате анализа формируются требования к конструкции
элементов и микросхемы в целом. Далее проводится выбор и обоснование
конструктивно-технологического варианта микросхемы, выбор материалов,
расчет элементов, разработка топологии микросхемы. При разработке ГИС
на основании результатов анализа технического задания выбирается корпус
и проводится оценка теплового режима микросхемы. Бескорпусная ИПС
выполняется в виде кристалла заданных размеров, защищенного слоем лака
или компаунда.
Отчет по расчетно-графической работе должен содержать результаты
расчетов микросхем и конструкторскую документацию.
На ГИС выпускается комплект конструкторской документации,
включающий спецификацию, сборочный чертеж, чертеж платы
(топологический чертеж), схему электрическую принципиальную. В отчет
по второй работе помещается только эскиз топологического чертежа
кристалла ИПС.
2. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ
Целью анализа технического задания является уточнение технических
требований,
предъявляемых
к
электрическим
характеристикам,
конструкции и технологии изготовления микросхем.
Общие требования к электрическим и конструктивным характеристикам
направлены на повышение надежности и унификацию микросхем. При
проектировании следует учитывать следующие основные требования:
-
микросхемы одного типа должны быть взаимозаменяемыми;
-
вероятность безотказной работы микросхемы (если это не
оговорено особо в техническом задании) в течение 1000 ч должна быть не
менее 0,95;
-
обеспечение возможности контроля параметров элементов перед
сборкой микросхем;
-
микросхема должна иметь маркировку с обозначением товарного
знака предприятия-изготовителя, месяца и года изготовления, клеймо отде-
ла технического контроля (ОТК) и ключ - указатель места расположения
первого вывода.

3

Частные технические требования определяются техническим заданием и
на основе анализа электрической схемы. К числу основных частных
технических требований относятся:
- требования к электрическим параметрам микросхемы, их стабильности
и допустимым погрешностям;
- требования по устойчивости к механическим, климатическим и другим
внешним воздействиям [б] ;
- рекомендуемая цоколевка микросхемы.
Если требования к цоколевке не оговорены, то рекомендуется
следующая: 1-й вывод корпуса - общий, крайние выводы - питающие
напряжения.
3. КОНСТРУИРОВАНИЕ ГИБРИДНЫХ
ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ (ГИС)
3.1. Элементы и компоненты ГИС
3.1.1. Подложки
Перечень основных материалов, применяемых для изготовления подло-
жек ГИС, и их свойства приведены в прил. I.
Перспективными и широко распространенными материалами являются
ситаллы, которые в 2-3 раза прочнее стекол. Для мощных ГИС
предпочтительнее использовать керамические материалы, имеющие более
высокую теплопроводность и механическую прочность. Другим важным
качеством керамических подложек является высокая температура
размягчения керамики, что позволяет применять их в производстве
толстопленочных микросхем, платы которых при изготовлении
обрабатываются при высоких температурах.
Обработка рабочих поверхностей подложек тонкопленочных ГИС
должна соответствовать 13-14 классу чистоты, толщина 0,6-0.1 мм. Для
изготовления толстопленочных ГИС допустимо применять подложки,
обработанные по 8-10 классу чистоты, толщина 1,6-0.3 мм. Чистота
обработки торцов и нерабочей поверхности подложки должна быть не хуже
6 класса.
3.1.2. Проводники и контактные площадки
С помощью пленочных проводников осуществляется электрическое
соединение элементов и компонентов ГИС. Для присоединения внешних
выводов навесных компонентов, а также для контроля электрических
характеристик микросхемы служат контактные площадки. Внешние
контактные площадки тонкопленочных ГИС соединяются с выводами
корпуса проводниками длиной до 5 мм из золотой (3 л 999,9 ГОСТ 7222-74)
или медной (медь МВ, ТУII Я е 0,021.040-72, покрытие - припой П Ср ОС3-
38,ТУ 48-07-247-70) проволоки диаметром 40-90 мкм. В
толстопленочных ГИС, выпускаемых в металлополимерных корпусах,
выводы микросхемы диаметром 0,3-1,1 мм обычно припаиваются
непосредственно к внешним контактным площадкам платы.
Характеристики материалов пленочных проводников приведены в прил.
II. В тонкопленочных ГИС используются, как правило, многослойные
системы, состоящие из слоя материала с хорошей адгезией к подложке
(подслой), слоя высокопроводящего материала и защитного покрытия.
Для изготовления проводников и контактных площадок толстопленоч-
ных ГИС применяются пасты, включающие палладий (ТУ 6-09-2025-72),

4

серебро (ГОСТ 1277-63), стекло марки 660а (ТУ10-3) и окись висмута
(ГОСТ 10216-62). В зависимости от рецептуры получают пасты ПП-1, ПП-
2, ПП-3 и ПП-4. Паста ПП-1 применяется для изготовления проводников,
контактных площадок и нижних обкладок пленочных конденсаторов; паста
ПП-2 - для изготовления верхних обкладок конденсаторов; паста ПП-3 -для
изготовления проводников, нижних обкладок конденсаторов и контактных
площадок для монтажа компонентов с жесткими выводами; паста ПП-4 -
для изготовления проводников, наносимых на слой диэлектрика. Для
повышения надежности паяных соединений и уменьшения сопротивления
проводящие элементы на основе паст ПП-1, ПП-3 и ПП-4 рекомендуется
покрывать припоем П Ср ОСЗ-58.
3.1.3. Пленочные резисторы
Типовая конструкция пленочного резистора прямоугольной формы
показана на рис.3.1 Резистор состоит из полоски резистивной пленки и
контактных площадок. Характеристики некоторых материалов резисторов
приведены в прил. III. Для изготовления тонкопленочных ГИС с
низкоомными резисторами используется тантал, широко применяется
нихром, а в случае повышенных требований к стабильности параметров
резисторов - сплав 3. Для изготовления ГИС с высокоомными
резисторами
используется
сплав
кермет.
При
производстве
толстопленочных ГИС применяются резистивные пасты ПР, включающие
палладий (ТУ-6-09-2025-72) , серебро (ГОСТ 1277-63), стекло марки 660а
(ТУ10-3).
Рис.3.1. Конструкция пленочного резистора прямо-
угольной формы. 1 - резистивный слой, 2 - контактные
площадки, 3 - подложка.

1
2
d
3
b
l
lH



5

Величина сопротивления пленочного резистора определяется
выражением:
lv
R =
+ 2R = K + 2R , (3.1)
k
0
ф
k
db
где v - удельное объёмное сопротивление;
0 - удельное поверхностное сопротивление резистивной пленки,
численно равное сопротивлению резистора квадратной формы;
l
Кф= - коэффициент формы резистора;
b
Rk - переходное сопротивление областей контактов резистивной и
проводниковой пленок.
Обычно (при R>10 Ом) сопротивление областей контактов значительно
меньше сопротивления резистивной пленки, поэтому из формулы (3.1):
R K . (3.2)
0
ф
Исходными данными для расчета резисторов являются:
-
номинальная величина сопротивления R, Ом;
-
допустимое отклонение фактической величины сопротивления от
номинала
R

(
) доп. %;
R
-
мощность, рассеиваемая резистором, P, Вт;
-
коэффициент нагру

зки Kн ( K ≈ 5
.
0 -
;
0
.
1
при повышенных
н
требованиях к надежности следует выбирать меньшие значения Kн из
рекомендованного диапазона);
-
условия эксплуатации и хранения: минимальная Тмин и
максимальная
Тмакс
температуры
окружающей
среды,
К;
продолжительность эксплуатации t раб или хранения tхран , ч;
-
конструктивно-технологические
ограничения:
минимально
допустимая ширина пленочного резистора bмин (для тонкопленочных
микросхем bмин=100мкм, для толстопленочных - bмин=800мкм), абсолютные
погрешности размеров контура пленочного элемента ( b
) и ( l
)
(для
тонкопленочной
технологии
( b
) ≈ ( l
) ≈ 5 -10мкм ,
для
толстопленочной - 50 -100мкм).
При выборе материала резистивной пленки рекомендуется стремиться
к тому, чтобы все резисторы, расположенные на одной подложке, имели
одинаковое поверхностное сопротивление. Материал выбирают (см. прил.
III) с таким средним значением , чтобы величины К
0
ф, определяемые для
всех резисторов микросхемы из формулы (3.2), лежали в пределах
0.1<Кф<10 для масочных методов изготовления ГИС и в пределах
0.1<Кф<50 для фотолитографических методов. Высокоомные резисторы
микросхемы, для которых получается Кф>10(50) следует проектировать в
виде резисторов сложной формы, конструкция которых показана на рис.3.2
(толстопленочные резисторы, как правило, выполняются только
прямоугольной формы).
Для выбранного материала из прил. III определяются характеристики:

среднее значение и допуск
(
0 ) ; допустимая удельная мощность
0
0

6

рассеивания p0; среднее значение


и допуск
(
) температурного
0
0
коэффициента сопротивления (ТКС); среднее значение К СТ и допуск
0
( K

) коэффициента старения.
CT
0
Расчет резистора начинают с определения коэффициента формы по
формуле (3.2).
2b
В
b
b
b
a
L
3b
b
b

а б в
Рис.3.2. Конструкция резисторов сложной формы: змейка (а),
меандр (б), элементы сопряжения (в) - Кфс=2,55 для Г-образного и Кфс=4
для П-образного элемента.

Затем определяют допустимую величину случайной составляющей поля
R

допуска (
)
:
доп
R
R

| (
)
|
R
доп
R
(
)
=
R
- M (
) ; (3.3)
+
доп

R

R
R
| (
)
|
R
доп
R
(
)
=
R
- | M (
)
; (3.4)
- |
доп

R

R
где - коэффициент запаса на уход параметров под действием
неучтенных дестабилизирующих факторов: радиация, атмосферное
давление и др.; ≈1,11,2;

R
R
M (
) и M (
) - алгебраические суммы положительных и
+

R
-

R
отрицательных средних значений погрешностей сопротивления резистора,
вызванных изменением температуры окружающей среды и старением
материала.
Средние
значения
погрешностей
сопротивления
определяются
выражениями
R

M (
)
= (T
- T
%
100
)
; (3.5)
T
0
max
max
H
R
R

M (
)
= (T - T
%
100
)
; (3.6)
T
0
min
min
H
R
R

M (
)
= K t
%
100 ; (3.7)
СТ
CT
0 раб
R
где ТН - температура нормальных климатических условий (293 К).


7

R

В качестве допустимой величины (
)
выбирают минимальное
доп
R
значение из определенных по формулам (3.3) и (3.4). Если расчет по этим
R

формулам дает отрицательное значение (
)
, то это означает, что для
доп
R
реализации заданной точности необходимо выбрать материал резистивной
пленки с меньшими ТКС и K
.
CT0
Далее определяют допустимую погрешность коэффициента формы:
К



ф
R
(
)
= {[ (
)
]2 - [ (
0 )]2 - [ ( K

)t
%]
100
2 - [ ( ) T

%]
100
2 max}0,5 ,
доп
доп

CT
раб
0
0
К
R

ф
0
где
[ ( ) T

%
100

]max
-
максимальное
значение
случайной
0
составляющей отклонения сопротивления при изменении температуры
окружающей среды; выбирается большее значение из двух:
| ( )(T
- T 100
)
% |


или | (
)(T
- T 100
)
% |
max

0
H
min
0
H
При Кф≥1 расчетное значение ширины резистора bрасч определяется из
следующего уровня: bрасч должно быть больше наибольшей из трех величин
bmin, bp, b, где bp- минимально допустимое значение ширины, определяемое
требованием к точности коэффициента формы
| ( b
) | 1
[ + (K ) 2
- ]0,5
%
100
ф
b =

(3.9)
K
ф
(
)доп

p
b = (
)0,5. (3.10)
p
p K K
0
H
ф
Окончательно ширина резистора выбирается равной ближайшему к bрасч
большему целому значению, кратному шагу координатной сетки
топологического чертежа.
Расчетное значение длины резистора прямоугольной формы выбирается
из соотношения:
lрасч=bKф (3.11)
Длина принимается равной ближайшему к lрасч целому значению,
кратному шагу координатной сетки. В случае, если чертеж выполняется без
использования координатной сетки, величины lрасч, bрасч резистора
округляются до значений, кратных 10мкм.
После
определения
размеров
резистора
необходимо
оценить
погрешность, вызванную округлением величины lрасч, определив величину
K

(
ф ) из формулы (3.9), подставив округленные значения l, b. Если
Кф
K

K

(
ф ) > (
ф )
К
К
доп , то необходимо увеличить ширину резистора. При
ф
ф
Кф<1 lрасч выбирается больше наибольшей из трёх величин: lmin, l, и lp.
Величина l определяется по формуле
| ( l
) | 1
( + K 2 0,5
ф )
%
100
l =

.
( K

/ К )
ф
ф доп

8

pK
Величина l
ф
0,5
p опредляется по формуле l
= (
) .
p
К
0
Н
Минимальная длина lмин резистора тонкопленочной ГИС должна быть
не менее 100мкм, минимальная длина толстопленочного резистора - 800
мкм. Ширина резистора при известной длине lрасч определяется из формулы
(3.11).
Методика расчета высокоомных резисторов типа змейка (см. рис.
3.2.,а) не отличается от приведенной выше. После расчета общей длины lрасч
резистор делят на ряд секций прямоугольной формы, исходя из удобства
размещения резистора на плате.
Сопротивление резистора типа меандр (см. рис. 3.2.,б) определяется
выражением
l
R = K
cp
=
0
фср
0
,
b
где Кфср, lср - средний коэффициент формы и средняя длина резистора.
Величины Кфср, lср и bрасч определяются по приведенной выше методике.
Затем определяется суммарная длина звеньев прямоугольной формы,
заключенных между элементами сопряжения (см. рис. 3.2.,в)
l = l - b
,
(3.12)
E

расч
фс
где n - число элементов сопряжения;
Кфср - коэффициент формы элемента сопряжения (см. рис. 3.2.,в);
Для резистора с Г-образными элементами сопряжения (см. рис. 3.2.,в)
необходимое количество элементов можно оценить для различных
отношений L/B и m = a/b
K L
n
фс
=
.


(3.13)
1+ m B
Дробное n округляется до ближайшего числа. Компактную форму имеют
резисторы с L/B = 0,5 - 2.
Для резистора с П-образными элементами сопряжения необходимое
количество элементов на один меньше, чем определяется по формуле (3.13).
С целью устранения влияния погрешности совмещения масок
резистивного слоя и контактов на погрешность сопротивления пленочного
резистора сложной формы необходимо, чтобы токи входа и выхода были
направлены в одну сторону.
Сопротивление резисторов повышенной точности при подгонке
изменяется в сторону увеличения за счет уменьшения ширины (см. рис.
3.3.,а) или увеличения длины (см. рис. 3.3.,б) резистивной пленки.
Ступенчатая подгонка обеспечивает точность до 1%, плавная - до 0,1%.
При ступенчатой подгонке длина основной части l0 и дополнительных
секций lc и количество секций nc выбирается с использованием формул
R b
max
l =
;
(3.14)
0

1
[
0
+
/100%]
0


0
b(R max- R min)
l =


(3.15)
c

1
[
0
+
/100%]
0


0

9


100% + 0
*

R min- R min
0
n =
,
(3.16)
c
R max- R min

100% - 0
0
где

R
R max = R1+
;

%
100

R
R min = R1-
;

%
100

ТЕХ
R max1-

*

100%
R min =
;

ТЕХ
1+


100%
R

= {[
]2 - [
-

R
длп

( K t
T
ст 0 )
%]
100
2
[
раб
( )
%]
100
2 max}0,5;
0
R

K
0
2
Ф
2 0,5

= {[
] -[
] } ;
ТЕХ





К
0

Ф
К

| | 1
[
2
-
+
]0,5
%
100
ф
( b)
()

=

,
К
b

ф
b - выбирается больше наибольшего из двух величин bmin и bp.
Дробное значение nc округляется до большего целого числа. Если
расчетное значение lc меньше lmin, то длина дополнительной секции
принимается равной lmin. В этом случае корректируется ширина резистора и
длина основной секции
`
bl
b
min
=



(3.17)
lc
`
l b`
l
0
0 =
.

(3.18)
b

lсекц

lосн

вmax




в
в


а





б
Рис. 3.3. Конструкция резисторов повышенной точности; с плавной (а) и
ступенчатой (б) подгонкой сопротивления. Стрелками показаны места и
направления перерезания пленок при подгонке.
3.1.4. Пленочные конденсаторы
Типовая конструкция пленочного конденсатора показана на рис. 3.4.
Характеристики некоторых материалов пленочных конденсаторов
приведены в прил.IV. Для изготовления тонкопленочных конденсаторов с

10

емкостью 10-1000 пФ широко используют моноокись кремния; применение
моноокиси германия или электровакуумного стекла С44-I позволяет
изготовить конденсаторы с емкостью до 10.000 пФ. В микросхемах,
изготавливаемых по танталовой технологии [4] в качестве диэлектрика
используется
пятиокись
тантала,
полученная
электрохимическим
анодированием нижней обкладки конденсатора; при этом удается получить
емкость до 0,1 мкФ. Для изготовления диэлектрических паст конденсаторов
толстопленочных ГИС используют керамический материал Va-2 (ГОСТ
5458-64) и флюс 6 (ТУ 17 РСФСР 4275-70). В зависимости от рецептуры
получают пасту ПК 1000-30, применяемую для изготовления конденсаторов
с емкостью до 500 пФ, а также пасту ПК-12, обеспечивающую получение
конденсаторов с емкостью до 5000 пФ.
Емкость пленочного конденсатора в пикофарадах определяется по
формуле
S0
C = ,
0 0885
= C S

(3.19)
0
0
d
где - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика;
S0 = LB - площадь взаимного перекрытия обкладок, см2;
d - толщина диэлектрика, см;
С0 - удельная емкость, пФ/см2.
Для уменьшения погрешности емкости рекомендуется проектировать
конденсаторы квадратной формы, S0 ≥ 5 мм2.
Исходными данными для расчета конденсатора являются:
- номинальная величина ёмкости С, пФ;
- допустимое отклонение фактической величины емкости от номинала
(С/С),% ;
- рабочее напряжение Up, В;
- коэффициент запаса электрической прочности Кз (Кз ≈ 2-10, при
повышенных требованиях к надежности следует выбирать большие
значения Кз из рекомендованного диапазона);
- условия эксплуатации и хранения: Тmin, Тmax, K, tраб, или tхр, ч;
- конструктивно-технологические
ограничения:
рекомендуемые
толщины диэлектрика dmin и dmax, мкм (см. прил. IV);
- погрешность
воспроизведения
заданной
толщины
d

= (5 -10)% ; суммарная площадь взаимного перекрытия обкладок
d
конденсаторов на плате не должна превышать 2 см2, минимальная площадь
обкладок - 1 мм2; нижняя обкладка должна выступать за край верхней не
менее чем на 200 мкм для тонкопленочных ГИС и на 300 мкм для
толстопленочных, диэлектрик должен выступать за край нижней обкладки
не менее чем на 100 мкм для тонкопленочных и на 200 мкм для
толстопленочных ГИС.
1

2

d





3
4

11


1




2


B




5
в




L


Рис 3.4. Конструкция пленочного конденсатора. 1 - верхняя обкладка,
2 - диэлектрический слой, 3 - нижняя обкладка, 4 - подложка,
5 и 6 - выводы.

Для выбранного материала диэлектрика по прил. IV определяются

характеристики: среднее значение и допуск
; электрическая

прочность Е пр; температурный коэффициент емкости (ТКЕ); среднее
значение и допуск (
); и среднее значение K СТ и допуск
(
) коэффициента старения.
Расчет
конденсатора
начинают
с
определения
допустимой
геометрической составляющей погрешности емкости (при L = B)
L
B
C

2

d
2


=




Sддо


=

= {[

] - [
] -[
2
] -
L

доп
B доп
C доп


d
- [ ( K

-
, (3.20)
СТ )
2
t
%]
100
[
раб
( )
2
0,5
T
%]
100
max }

где
[()T100%]max - максимальное значение случайной
составляющей погрешности при изменении температуры; выбирается
большее значение из двух: |()(Tmax - Tн)100%| или |()(Tmin -
Tн)100%|;
( C


)C - допустимая величина случайной составляющей поля
доп
допуска определяется аналогично ( R


)R по формулам (3.3) и (3.4); при
доп
этом необходимо R заменить на С, на , K
на K СТ .
0
СТ 0
Расчетное значение толщины диэлектрического слоя dрасч определяется
из следующего условия: dрасч должно быть больше наибольшей из трех
величин dmin, dU, d, где dU - минимально допустимое значение толщины,
определяемое рабочим напряжением; d - минимально допустимое значение
толщины, определяемое допустимой геометрической составляющей
погрешности. С другой стороны, dрасч не должно превышать dmax.
U K
p
з
d =
;

(3.21)
U
Епр


12



2
(
)
354
,
0
[ (L)]
d =
1
[

+
]

s
,

(3.22)
доп
2
%
100
C(
)
%
100
где С- емкость ,пФ; (L),см.
Если du или d превышает dmax, то следует выбрать другой материал
диэлектрического слоя.
Площадь взаимного перекрытия обкладок определяется из формулы
(3.19)
Cd расч
S =
.

(3.23)
0

0885
.
0
C

Если известны C и допуск (
0 ) для заданных рабочих
0
C0
напряжений, то методика расчета конденсатора может быть значительно
упрощена.
3.1.5. Межслойная изоляция
Электрическая изоляция между пересекающимися проводниками,
расположенными в различных слоях (уровнях) ГИС, осуществляется с
помощью межслойной изоляции.
При производстве тонкопленочных ГИС для межслойной изоляции
широко используются моноокиси кремния (прил.IV) толщиной 2-4 мкм.
Допустимая площадь перекрытия пересекающихся проводников - не более
100x100 мкм , минимальный размер изолирующего слоя - 300х300 мкм.
Такие же слои используются для изоляции между проволочными
проводниками и пленочными элементами, для защиты пленочных
резисторов и конденсаторов или всей платы за исключением контактных
площадок.
При изготовлении толстопленочных ГИС для межслойной изоляции
применяют пасты, включающие стекло марки 660а (ТУ10-3) и глинозем ГК
(ГЭВ) (ГОСТ 6912-64). Паста ПД-1 применяется для межслойной изоляции
толщиной 60-70 мкм. При этом обеспечивается удельная емкость не более
100пФ/см2 и пробивное напряжение не менее 500 В. Минимальный размер
отверстия в межслойной изоляции для соединения двух уровней
металлизации - 600х600 мкм. Для защиты поверхности платы применяется
паста ПД-3.
3.1.6. Навесные компоненты
В ГИС применяются бескорпусные полупроводниковые приборы и
микросхемы, а также конденсаторы. В прил. V, табл. V.1 приведены
некоторые характеристики бескорпусных полупроводниковых приборов и
микросхем; на рис. 3.5, 3.6 представлены габаритные чертежи и
расположение выводов. Характеристики бескорпусных конденсаторов и их
габаритные чертежи приведены в табл. V.2 и на рис. 3.7.
Различают навесные компоненты с гибкими (проволочными) или с
жесткими (столбиковыми, шариковыми, балочными) выводами. Гибкие
выводы из золотой проволоки диаметром 30-60 мкм соединяются с
соответствующими контактными площадками с помощью сварки или пайки
(используют припой ПОС к -50-18 ГОСТ 1499-70 и ПС рОС-3-58 ТУ 48-

13

1-338-74). Механическое закрепление компонентов осуществляется путем
приклеивания их к плате или основанию корпуса клеем на основе
эпоксидной смолы ЭД5 (ГОСТ 10587-63). Компоненты, установочная
поверхность
которых
металлизирована,
могут
припаиваться
к
металлизированным участкам платы или основанию корпуса. При этом
существенно улучшается тепловой режим компонентов. Монтаж
компонентов путем припайки жестких выводов к соответствующим
площадкам платы позволяет автоматизировать сборку ГИС.
3.2. Защита ГИС от внешних воздействий
Защита ГИС от внешних воздействий осуществляется путем помещения
плат
с
элементами
и
компонентами
в
металлостеклянные,
металлокерамические, металлополимерные или пластмассовые корпуса.
В прил. VI приведены размеры и характеристики металлостеклянных
корпусов ГИС. Плата закрепляется на основании корпуса с помощью клея
на основе эпоксидной смолы ЭД5 или эпоксидно-крезольного лака ЭП-91
(МРТУ6-10-530-67). После монтажа платы и компонентов крышка
приваривается к основанию корпуса.

14


Рис. 3.5. Габаритные чертежи полупроводниковых приборов: а - 2Т625 -
2 (М-металлизированная поверхность контакта к коллектору); б - КТС 394,
КТС 395; в - 2Т360; г - 2Т354; д - КТ379, КТ380; е - 2П201; ж - 2ПС202;
з - КД907, КД918.

15



Рис. 3.6. Габаритные чертежи ИПС: а - 740УД4 - I; б - ИПС серии 703
(3 - общий, II - Е = +5Б; для ИС 7ТКО31 10 и 11 - Е = +5В); в - 7ТКО31;
г - 7ЛБО31; д - 7ЛБО33; е - 7ЛРО31.

16

3.3. Разработка топологии ГИС.
3.3.1. В процессе разработки топологического чертежа (чертежа платы )
определяется взаимное расположение и форма пленочных элементов,
рассчитываются их геометрические размеры, выбираются места
расположения навесных площадок.

Рис.3.7. Габаритные чертежи конденсаторов: а - К10-9; б - К53-15
(М - облуженные контактные поверхности).
Исходными данными для разработки являются технические требования и
конструктивно-технологические данные и ограничения. Ниже приведена
типовая последовательность слоев, наносимых на плату :
1-й слой - резистивный;
2-й слой - выводы резисторов, контактные площадки, часть
проводников;
3-й слой - диэлектрик в местах пересечения проводников;
4-й слой - часть проводников;
5-й слой - нижние обкладки конденсаторов и часть проводников;
6-й слой - диэлектрик конденсаторов;
7-й слой - верхние обкладки конденсаторов и часть проводников;
8-й слой - защитный диэлектрик.
При проектировании тонкопленочных ГИС учитывают основные
ограничения: перекрытие для совмещения элементов, расположенных в
разных слоях, не менее 200 мкм при масочном и не менее 100 мкм при
фотолитографии; минимально допустимые размеры контактных площадок
для припайки 400х400 мкм, для контроля параметров элементов 200х200
мкм (для монтажа компонентов с жесткими выводами допускаются
размеры площадок 250х250 мкм при зазоре между ними 100 мкм); навесные
компоненты устанавливают на расстоянии не менее 0.5 мм от пленочных
конденсаторов и других пленочных элементов, не защищенных
диэлектриком, и менее 0,6 мм от контактных площадок при минимальном
расстоянии между компонентами 0,3 мм (допускается устанавливать
компоненты с гибкими выводами на проводниках и маломощных

17

резисторах, защищенных диэлектриком); длина проволочных выводов
навесных компонентов должна находиться в пределах 0,5-5 мм,
компоненты и пленочные элементы, к точности которых предъявляя
жесткие требования, располагаются на расстоянии не менее 0,7 мм от края
подложки, остальные элементы - на расстоянии не менее 0,5 мм;
минимально допустимое расстояние между пленочными элементами, (в том
числе контактными площадками) - 0,2мм; минимальная ширина пленочных
проводников составляет 100 мкм при масочном и 50 мкм -
фотолитографическом методах; расстояние от границы диэлектрика до
контактной площадки - не менее 0,5 мм.
При проектировании толстопленочных ГИС учитывают следующие
ограничения: минимальное расстояние от края платы до пленочного
элемента - 0,1 мм, от края платы до отверстий под внешние выводы - 0,5
мм, между пленочными элементами - 0,2 мм; минимальная ширина
пленочных проводников - 0,2 мм при нанесении пасты на подложку и 0,3
мм при нанесении пасты на диэлектрический слой; минимальные размеры
контактных площадок - 0,3х0,4 мм; размеры контактных площадок для
монтажа конденсаторов с жесткими выводами должны на 0,2 мм
превышать размеры контактов конденсаторов; минимальное перекрытие
элементов в разных слоях - 0,1 мм; минимальный размер отверстия в
межслойной изоляции для соединения двух уровней металлизации - 0,6 мм;
остальные
ограничения
аналогичны
тем,
что
приведены
для
тонкопленочной технологии.
Выделенная на электрической схеме часть устройства реализуется в виде
бескорпусной ИПС (размер кристалла 1х1 мм), конструкция которой
аналогична конструкции полупроводниковых приборов и ИПС, описанных
в 3.1.6.
3.3.2. Разработка топологии выполняется в несколько этапов. На первом
этапе проводится преобразование электрической схемы, из которой
исключаются компоненты; выводы последних заменяются контактными
площадками. Схема перечерчивается таким образом, чтобы уменьшить
число пересечений проводников и сократить их длину. Переработанная
принципиальная схема носит название коммутационной схемы.
На втором этапе выбираются материалы, форма пленочных элементов и
рассчитываются их размеры по методикам 3.1.
На следующем этапе определяется ориентировочная площадь платы
nR
c
n
k
n

S = K
(
S
S
S
S ),
n
ИП
+
Ri
+
Ci
+
Ki
Нi
i=1
i=1
i=1
i=1
где Kип= 2-3 - коэффициент использования площади платы;
SRi, nR - площадь i-го резистора и количество резисторов;
SCi, nC - площадь i-го конденсатора и количество конденсаторов;
SKi, nК - площадь i-й контактной площадки и их количество;
SHi, nH - установочная площадь i-го навесного компонента,
устанавливаемого на свободной от элементов поверхности платы, и их
количество.
Используя результат оценки необходимой площади платы, выбирают
размеры платы и корпус ГИС ( прил. VI ).
Следующим этапом разработки топологии является размещение
пленочных элементов на плате и прокладка соединительных проводников.

18

Следует проектировать элементы наиболее простой формы; придание
элементам форм, состоящих из отрезков прямых, не параллельных осям
координат (угол наклона должен быть кратным 150), допустимо лишь в тех
случаях, когда это приводит к значительному упрощению топологии и
уменьшению размеров платы.
Вычерчивание эскиза платы рекомендуется проводить на миллиметровой
бумаге в масштабах увеличения, кратных.10 (10:1, 20:1 и т.д.).
3.3.3. На последнем этапе конструирования ГИС разрабатывается эскиз
конструкции микросхемы, отражающий расположение платы и навесных
компонентов в корпусе, а также проводится оценка паразитных связей [1,7]
тепловых режимов элементов и компонентов и расчет проектной
надежности [I].
3.4. Тепловой режим ГИС
3.4.1. При разработке конструкции ГИС большое внимание уделяется
обеспечению нормального теплового режима элементов и компонентов, так
как от их температуры существенно зависит надежность микросхем. Для
уменьшения температуры элементов и компонентов рекомендуется:
выбирать невысокие значения (10-20 кВт/мм2) удельной рассеиваемой
мощности P0; применять подложки с высокой теплопроводностью;
осуществлять хороший тепловой контакт компонентов с подложкой
(уменьшение
толщины
слоя
клея,
припайка
компонентов
к
металлизированным участкам платы или к основанию корпуса);
равномерно распределять по подложке источники тепла; чувствительные к
температуре элементы и компоненты располагать за пределами зон
теплового влияния источников с повышенным тепловыделением.
3.4.2. Оценку теплового режима ГИС в металлостеклянном корпусе
можно осуществить, используя методику [I].
Температура i-го элемента (компонента) определяется выражением
n
T = T + +

i
c
k

,
ji


(3.24)
j =1
где Тс - температура окружающей среды;
к - перегрев корпуса относительно Тс (зависит от способа монтажа
ГИС в аппаратуру и составляет обычно 5-10 К);
ji - составляющая перегрева i-го элемента (первый индекс - номер
источника тепла, второй - приемника тепла; перегрев ii, обусловленный
мощностью, рассеиваемой i-м элементом, называют собственным).
Для полупроводниковых приборов и ИПС определяется также
температура р-n- переходов
T
= T +
,
BHi
i
BHi
(3.25)
где
= P R b - внутренний перегрев i-го компонента, рассеивающего
BHi
i
T Hi
мощность Pi;
R b - внутреннее тепловое сопротивление компонента
T Hi
(прил. V), учитывающее способ его закрепления (для кристалла
разрабатываемой бескорпусной ИПС RTBH= 1К/мВт, максимальная
температура р-п- переходов - 418К).
Собственный перегрев элемента (компонента) определяется выражением

19

Pl (r, q)
= P R
(r,q)
i
=
,
(3.26)
ii
i
Ti max
S
i
где RTimax - максимальное тепловое сопротивление i-го элемента;
- теплопроводность подложки;
Si - площадь i-го элемента;


hk
l = h +
- эквивалентная толщина подложки (при
k =0.1-1.0 и
n


k
hk =0.1-0.3);
hn
к - теплопроводность клея, закрепляющего плату в корпусе
(к≈0.3Вт/м.К);
hn, hk - толщина платы и слоя клея, соответственно (hk≈0,1 мм);
(r,q) - функция, зависящая от относительных размеров элемента


1
=
;q
2
=
;
l
2
l
2
1, 2 - размеры i-го элемента;
График функции (r,q) показан на рис. 3.8. (функция симметрична
относительно и q ).
Фоновый перегрев, обусловленный тепловыми потоками соседних
элементов (компонентов), определяется выражением
= Pli [ (r ,q ) + sign(q )sign( ) (| r |,| q |) + sign(q ) (r ,| q |) +
ji
4
1
1
2
2
2
2
2
1
2
S
i

+ sign(r ) (q ,| r |)];

(3.27)
2
1
2

x

x
где
1
q =
+ | 0 | ,
1
q =
- | 0 |;
1
2l
l
2
2l
l

y

y

2
r =
+ | 0 | ,
2
r =
- | 0 | ;
1
2l
l
2
2l
l
1, 2 - размеры j-го элемента (источника тепла);
x0, y0 - координаты i-го элемента (приемника тепла) относительно
центра j-го элемента (координаты определяются до ближайшей к центру j-
го элемента точки i-го элемента );
sign a= +1 при а>0;
sign a= -1 при а<0;
sign a= 0 при a = 0.
Значения функций в формуле (3.27) определяются из рис. 3.8.

20

Рис. 3.8. График функции (r,q).

При проведении оценки теплового режима элементов и компонентов
ГИС можно не учитывать перегрев корпуса относительно окружающей
среды к; при необходимости можно рассчитать, используя методику [8].
Рассчитанные величины температуры элементов и компонентов
сравниваются с допустимыми. Допустимые рабочие температуры для
компонентов приведены в прил. V, для пленочных конденсаторов в прил.
IV. Для пленочных резисторов максимальная допустимая температура
составляет 423К. Если расчетная температура превышает допустимую,
необходимо переработать конструкцию ГИС с учетом рекомендаций 3.4.1.
Для расчета теплового режима ГИС можно использовать стандартную
программу АТРИС-1 [9] .
3.5. Правила оформления конструкторской документации
на ГИС.
В основной комплект конструкторской документации на ГИС входят:
спецификация,
сборочный
чертеж
ГИС,
схема
электрическая
принципиальная, технические условия (или пояснительная записка),
топологический чертеж платы.
Спецификация составляется в соответствии с ГОСТ 2.108-68 .
Сборочный чертеж ГИС оформляется по общим правилам,
установленным ГОСТ 2.109-69, и должен содержать достаточное число
видов, проекций, сечений и разрезов для того, чтобы показать взаимное
расположение всех составных частей ГИС и способы их закрепления. В
технических требованиях, приводимых на чертеже, должны содержаться
сведения о сборке, окраске, маркировке изделия и ссылки на документы,
регламентирующие характеристики ГИС и способы их измерения. На поле

21

чертежа помещают таблицу с указанием координат мест установки
компонентов (левый нижний угол компонента), форма которой показана на
рис. 3.9 (допускается погрешность установки 0,1 - 0,5 мм).
Схема электрическая принципиальная выполняется в соответствии с
ГОСТ 2.701-76, 2.702-75, 2.708-72. На схеме изображаются в виде условных
графических обозначений элементы, компоненты, проводники и
контактные площадки. Нумерация контактных площадок должна
соответствовать принятой на топологическом чертеже.
Каждому
элементу
схемы
присваивается
буквенно-цифровое
позиционное обозначение. Последовательность присвоения порядковых
номеров
позиционным
обозначениям
должна
соответствовать
последовательности расположения условных графических обозначений
элементов на схеме, считая сверху вниз в направлении слева направо. Все
элементы и компоненты вносятся в перечень элементов, располагаемый на
поле схемы и выполняемый по форме, приведенной на рис. 3.10.
Последовательность записи в перечень определяется ГОСТ 2.702-72. Для
элементов графа "Обозначение" прочеркивается, в графу "Наименование"
вписывают наименование элемента, номинал основного параметра и
допуск, максимальную мощность рассеяния (для резисторов) или
максимальное рабочее напряжение (для конденсаторов). В графу
"Примечание" следует вписывать обозначение чертежа платы, в которую
входит данный элемент. Для компонентов в графу "Наименование"
вписывают наименование компонента и обозначение стандарта или
технических условий на данный компонент. Если компонент применяется
по спецификации или чертежу (например, субплата с комплексом
однотипных пленочных элементов), то в графе "Обозначение" записывают
обозначение основного конструкторского документа на данный компонент.

Обозначение
Координаты,
компонентов
мм
10
18
Х
У
8





20
15
15


Рис. 3.9. Форма таблицы координат установки компонентов.

Топологический чертеж платы выполняется в соответствии с ГОСТ
2.417-68 в масштабах, кратных десяти, т.е. 10:1, 20:1 и т.д. Чертежу
присваивается наименование "Плата" и обозначение с десятичной
характеристикой 7.100 или 7.107 в соответствии с [10]. В графе 3 основной
надписи указывается материал подложки или обозначение чертежа
заготовки (десятичная характеристика 7.810). Топологический чертеж
следует, как правило, выполнять на нескольких листах. На первом листе
изображается плата со всеми нанесенными слоями с указанием
позиционных обозначений элементов, на последующих листах помещается
изображение каждого слоя. На каждый слой на первом листе чертежа
нананосят штриховку (условное обозначение слоя). Вид штриховки

22

расшифровывается в таблице, форма которой показана на рис. 3.11. На
изображении контактных площадок на первом листе должны быть
проставлены их номера. Нумерация внешних контактных площадок должна
соответствовать нумерации выводов корпуса. Соответствие должно
сохранятся и в том случае, когда используются не все выводы корпуса.
Нумерация внутренних контактных площадок, служащих для подключения
выводов компонентов и для контроля элементов, должна являться
продолжением нумерации внешних площадок; порядок нумерации - снизу
вверх в направлении слева направо, если первая площадка расположена в
левом нижнем углу платы.

23

185

ПОЗ. ОБОЗНАЧЕНИЕ НАИМЕНОВАНИЕ
КОЛ. ПРИМЕЧАНИЕ
ОБОЗН.
185
18
A3
Т54.204.122
Плата - 3
1





С2 --
Конденсатор
1
Входит
в
8
100пФ20% 10В
Т57.107.125




R6-R8 --
Резистор 3кОм20% 3
тоже
0,1Вт




VT1

Транзистор
1

2Т354АСБО.336.038
20
50
70
10

Рис. 3.10 Форма перечня элементов.

185

слоя Условные
Наименова-
Материал слоя
Электрическ Номер
10
обозначения ние слоя
Наимено-
ГОСТ, ТУ
ие
листа
18
слоя

вание
характерист
чертежа
ики слоя

Резистор
Сплав 3

= 350 2
15
1
ОЖО.021.000ТУ
o
Ом/а

10
30
30 30 35
30


Рис. 3.11 Форма таблицы характеристик слоев.





110







Поз.
Точки
Проверяемый

Координаты
10

изме
обозначения измерения
номинал и
точки
Х
У

рения
допуск



8 18
1
R5
8 - 10
7,5 кОм10%
15
20
20
10
30
30

а б

Рис. 3.12 Форма таблиц: а - электрические параметры элементов,
б - координаты вершин элементов.




24

На чертеже платы помещаются данные по значениям электрических
параметров элементов в виде таблицы, показанной на рис. 3.12.а. На первом
листе чертежа помещаются также технические требования: требования к
точности выполнения подложки и элементов, ссылки на таблицы с
характеристиками слоев и параметрами элементов, требования к внешнему виду
платы.
Конфигурация элементов каждого слоя платы и их размеры приводятся на
последующих листах чертежа. Задание размеров рекомендуется производить
координатным методом в таблице, показанной на рис. 3.12.б. В этом случае
вершины элементов нумеруются в пределах одного листа, сквозной
нумерацией, причем нумерацию каждого элемента следует начинать от нижней
левой вершины и продолжать по часовой стрелке. Переход от элемента к
элементу при нумерации осуществляется от нижнего левого угла снизу вверх по
направлению слева направо. В таблицах следует отделять жирной линией
координаты, относящиеся к разным элементам. На последующих листах могут
помещаться специфические технические требования, относящиеся только к
данному слою. Нумерация пунктов таких требований должна продолжать
нумерацию пунктов на первом листе чертежа платы.

25

ЛИТЕРАТУРА
1. Ермолаев Ю.П., Пономарёв М.Ф., Крюков Ю.Г. Конструкции и
технология микросхем. - М.: Сов. Радио, 1980. - 256 с.
2. Ефимов И.Е., Горбунов Ю.И., Козырь И.Я. Микроэлектроника.
Физические и технологические основы, надежность. - М.: Высш. школа,
1977. - 416 с.
3. Ефимов И.Е., Горбунов Ю.И., Козырь И.Я. Микроэлектроника.
Проектирование, виды микросхем, новые направления. - М.: Высш. школа,
1978. - 312 с.
4. Черняев В.Н. Технология производства интегральных микросхем. -
М.: Энергия, 1977. - 376 с.
5. Попов В.П. Методические указания к расчетно-графическим работам
по конструированию микросхем. - Таганрог: ТРТИ, 1973. - 77 с.
6. СТП-500У-74. Стандарт предприятия. Общие технические и
конструктивные требования к блокам радиоэлектронной аппаратуры. -
Таганрог: ТРТИ, 1974. - 11 с.
7. Механцев Е.Б. Расчет гальванических и емкостных связей в системах с
плоскими электродами. Учебное пособие. - Таганрог: ТРТИ, 1977. - 40 с.
8. Механцев Е.Б. Основы анализа тепловых режимов РЭА. Лекции по
курсу "Теоретические основы конструирования и надежности РЭА". -
Таганрог: ТРТИ, 1976. - 54 с.
9. Программа анализа теплового режима интегральных схем на ЭВМ
М6000 - "АТРИС - 1". Инструкция по пользованию. - Таганрог: ТРТИ,
1981. - 6 с.
10. Междуведомственная нормаль. Система чертежного хозяйства, часть
4. Обозначение конструкторских документов. Н0.000.005.



26



-3
.027.
основе


15
Керамика

НТХО
12

6,1
210,00

6,3

3 - 6
1870
на
окиси
берилия
Брокерит
023


.781

10
рованная
ТУ
14
Керамика
ШИО
001
14

7,6
1,05 - 1,47

13,0 - 16,0

20

50 50
1870
глазу


,

.027.
10
ХС
ТУ

14
Материал
Керамика
22
аЯО
002
12

6,0
8,40

10,3

6
1870
ГИС
1
.

ПОДЛОЖЕК
ПОII
10
27
50-1,
15
ПРИЛОЖЕНИЕ
Ситалл
СТ
ОСТ
094.022-72
13 - 14

5,0
1,43

8,5

20

40 50
990
МАТЕРИАЛЫ

10
48-3,
.027.600
17
Стекло
С
14

4,8
0,84 - 1,34

3,7 - 8,0

15
40
НПО








К
10
, I/
)
/мм
·см

·К
МГц
МГц
1020
10
м/(
1
, кВ
, Ом
, К

1
материала
, Вт
коэффициент

частоте
диэлектрическая
диэлектрических
поверхности


на
частоте
мощность
ла
рный
расширения

уг
на
сопротивление
ра размягчения









чистоты
4
Характеристика
10
Класс
Температу
линейного
Теплопроводность
Относительная
проницаемость
Тангенс
потерь
tg
Электрическая
Удельное
Температу


ПРИЛОЖЕНИЕ 2
МАТЕРИАЛЫ ПЛЕНОЧНЫХ ПРОВОДНИКОВ ГИС
Материалы
Толщина
Удельное
Способ
слоя, нм
поверхностное
контактирования
сопротивление,
с проволочными
ОМ/а
проводниками
Подслой - нихром 10 - 30


Х20Н80, ГОСТ 12766-67

0,08 - 0,16
Пайка,
Слой - алюминий А99, 300 - 600
сварка
ГОСТ 11069-74
Подслой - нихром 40 - 50


Х20Н80, ГОСТ 12766-67

0,1 - 0,2

Слой - алюминий А99, 250 - 370
Пайка,
ГОСТ 11069-74

сварка
Покрытие - никель, 50
МРТУ 14-14-46-65
Подслой - нихром 10 - 30


Х20Н80, ГОСТ 12766-67



Слой - медь
МВ, 600 - 800
0,02 - 0,04
Сварка
ТУ11Яе 0.21.040-72

Покрытие - никель, 80 - 120
МРТУ 14-14-46-65
Подслой - нихром 10 - 30


Х20Н80, ГОСТ 12766-67


Слой - медь
МВ, 600 - 800
0,02 - 0,04
Пайка,
ТУ11Яе 0.21.040-72

сварка
Покрытие -золото Зл 50 - 60
999,9, ГОСТ 6835-72

Подслой - нихром 10 - 30


Х20Н80, ГОСТ 12766-67

0,03 - 0,04
Пайка,
Слой - золото Зл 999,9, 600 - 800
сварка
ГОСТ 6835-72
Паста ПП-1
(10 - 20)
0,02 - 0,05
Пайка
103
Паста ПП-2
(15 - 20)
2,00 - 5,00
Пайка
103
Паста ПП-3
(15 - 25)
0,02 - 0,05
Пайка
103
Паста ПП-4
(15 - 25)
0,02 - 0,05
Пайка
103








28

) ,
0 -5

CT
10







ск
ч
K(
1/
0,1
0,1
0,5
1,0
3,0

Допу


,
-5
Коэффициент

10



0


0

0
старения
1,0
1,2
0
CT
ч
Среднее
значение
K
1/

К
)
,


К
0






ск

0,5
1,0
0,2
1
2,0
интервале
, 1/
(
ГИС
-4

в
р 213-398
Допу
10



,
ТКС

4-






температу
10
0

-1,0
+0,4
+3,0
-4,0
-5,0
+8
3
0
К
Среднее
значение

1/
РЕЗИСТОРОВ


2



/мм
29

30

20

10


20

30
стимая
ПРИЛОЖЕНИЕ
, МВт
ПЛЕНОЧНЫХ
Максимально
допу
удельная
мощность
рассеяния
Р 0



0







ск

3
5
5
7

10
Допу

,%
МАТЕРИАЛЫ

Поверхностное






сопротивление
-ние
300
350
, Ом
1-100
3000
5000
10000
0
Среднее
значе


5,100,500,
1000, 3000,
6000, 20000,
50000
-
-


,
,

,
-
-3
-
-

-
-медь
-
-


-
,
-медь


ПП
-никель
-золото
-1,
Материалы
контактных
площадок
Нихром
алюминий
нихром
алюминий
никель
Нихром
медь
нихром
золото
Нихром
золото
Нихром
медь
нихром
золото
нихром
никель
Пасты
ПП
,


3,

ТВЧ






,


ПР

80
.021.
Н
ТУ
С
.021.
ТУ
-
20
-50
Материал
ре
зистивного
слоя
Тантал
РЭТУ
1244 - 67
Нихром
Х
ГОСТ
12766-67
Сплав
ОЖО
000
Кермет
К
ЕТО
033
Паста


-
-
р,





-
тем

Диапа
зон
рабо
чих
перату
К
213 -398

213 -358
213-398
213-398
)


ч






ск
CT
K
, 1/
4
3
5
( 5
+0,1

Допу

10





-
-

ч



, 1/
0
-1
0
0
Ct
5
Коэффициент
старения
Сред
нее
значе
ние
K
10



-
р

) К



ск
, 1/
0,5
0,5
0,6
1
ГИС
интер
( -4
Допу

10

в


температу
-

-

,

3
-4
К
2,0
3,0
1,2
ТКЕ
вале
Сред
нее
зна
чение

10
1/


-
-





ди


4

ла

0,01-
0,02
0,02
Тангенс
уг
электри
ческих
потерь
tg
0,005 -
0,007
0,002 -
0,003
КОНДЕНСАТОРОВ
-
-

,

-

-
мах
300
Мак
си
маль
ная
час
тота
f
МГц
30
,





ПРИЛОЖЕНИЕ

6
-


10
см/
2,0 500
1,0
3,0
2,0 0,1
ПЛЕНОЧНЫХ
пр
Электри
ческая
проч
нисть
E
В



,








ск




3
4
1
4
Допу

%


МАТЕРИАЛЫ
Относительная
диэлектическая
проницаемость
Сре
днее
знач
ение


5,5
11
5,1
-


-






d,

емые
0,3 - 4
0,1-0,4 22
Рекомен
ду
толщины
диэлект
рика
мкм
0,1 - 0,5
-
-
-
-
,
-
обкла

-


Матери
ал
док
Алюми
ний
Тантал
нижняя
алюми
ний



-

,

,
-




ное

11
.094.
44-1,
Материал
диэлектри
ческого
слоя
Моноокись
кремния
ГОСТ
5634-70
Моноокись
германия
ГОСТ
19602-74
Стекло
электро
вакуум
С
ОСТ
ПО
022-73
Пятиокись
тантала




).
а
б
б
в
г
д
213-358




рис(
3.5,
3.5,
3.5,
3.5,
3.5,
3.5,

Габаритный
чертеж
5


р,

К


0
Диапазон
рабочих
213 - 358
213 - 358
213 - 358
233 - 358
213 - 398
233 - 358
температу


,
10
ра


К


408
423
423
393
423
373
0
переходов
ГИС

Максимальная
температу
p-n-

,
микросхемы


5
и

0,035



5.1
треннее
/мВтК
0,05*
0,10*
0,10*
7,00
1,70
1,50
тепловое
Вну
300
10
КОМПОНЕНТЫ
приборы
сопротивление
31
Таблица

при
К

ПРИЛОЖЕНИЕ

,
0,6

мВт
ре 293



1000
300
300
10
30
25
+4
6
БЕСКОРПУСНЫЕ
Полупроводниковые
Максимальная
рассеиваемая
мощность
температу
,



3

3
450
,

15
50
50
10
Масса
мг
не
более





ТУ

ТУ
ТУ
ТУ
ТУ
ТУ
20 - 80
.335.059-



.336.067-
,

395,
.336.067-
394,
.336.038-
.036.030-
625-2,
379,
53.365.022-
360,
354,
Т
-1,
-3-
-2-
Обозначение

Я
КТС
аАО
КТС
ААО
ЩТО

СБО
КТ
аАО
верхняя
обкладка
ПП
ПП
нижняя
ПП
верхняя
обкладка




,
,
,

n-p-n

p-n-p
2
n-p-n

1000-30 200
-12
же
же
же
ПК
ПК
Наименование
Биполярный
транзистор
То
Биполярный
транзистор
То
Биполярный
транзистор
То



)

д
е
ж
з
з
а
в
г







рис(
3.5,
3.5,
3.5,
3.5,
3.5,
3.6,
3.6,
3.6,
Габаритный
чертеж


р,







К
Диапазон
рабочих
233 - 358
213 - 358
213 - 398
213 - 358
213 - 358
213 - 373
213 - 398
213 - 398
температу

,
ра
К

373

408

418

378

378

408
423

423
переходов
Максимальная
температу
p-n-

,
5.1


треннее
/мВт






К
1,50
1,75
3,00
2,00
2,00
0,40
0,25
0,25
таблицы
тепловое
Вну
сопротивление
32


-
К


тем
293





Продолжение
при
ре
25
60
30
30
85
90
30
,
Максимальная
рассеиваемая
мощность
мВт
перату
,

, мг





10
5
2
10
10 30
10
5
5
более
Масса
не









ТУ
ТУ
ТУ


ТУ
ТУ
ТУ
,
ТУ
,
ТУ



А
А
4-1,
31,
31,
.036.028
.365.006
202
.336.010
.347.021
.410.017
.402.036
380,
201
907
.362.036
918
.362.022
УД
Обозначение
КТ
аАО

ТФЗ
2ПС
ТФО
КД
РЗ
КД
РЗ
740
бКО
7ТКО
ЩИЗ
7ЛБО
ЩПЗ

с



,















p-n-p
с общим
,
, JK-
,
канал
канал
же
элемента
-НЕ
Наименование
Биполярный
транзистор
Полевой
транзистор
n-
Полевой
транзистор
p-
Диодная
матрица
общим
катодом
То
анодом
ИПС
операционный
усилитель
ИПС
триггер
ИПС
2
И







)
е
е


рис
чертеж
(
3.6,
3.6,
Габаритный


р,



К
Диапазон
рабочих
213 - 398
213 - 398
температу

,
ра


К

423

423
переходов
Максимальная
температу
p-n-

,
поверхности
5.1


треннее
/мВт


К
0,25
0,25
тепловое
таблицы
Вну
сопротивление
33


-
К

тем
к металлизированной
293
Окончание
при
ре

60


40
,
Максимальная
рассеиваемая
мощность
мВт
перату
кристалла
,

пайке
, мг


5
5
при
более
* -
Масса
не



ТУ
ТУ
.033,
.402.047
031,
.402.046
Обозначение
7ЛБ
ЩИЗ
7ЛР
ЩИЗ


-


элемент
ИЛИ













, 4
-2
-НЕ
,
И
И

Наименование
ИПС
элемента
2
ИПС
2-2
НЕ


Таблица 5.2
Конденсаторы
(диапазон рабочих температур от 213 до 350 К)
Наименование,
Диапазон
Размеры, мм
Масса, Габаритный
обозначение
емкостей,
L B H
г,
не
чертеж
мкФ
более
( рис. )
Конденсатор
0,00003-0,001




керамический


1,2
0,1

К10-9,
0,00022-0,1
4,4
5

0,5
3.7, а
ОЖО.460.068ТУ
0,00091-0,47 8,5 10 3,0
1,5
(Up = 15 В)
Конденсатор
1,5; 2,2

4,5 0,25


оксиднополу-

5,5

проводниковый
3,3; 4,7

2,3
0,65
3.7, б
К53-15,

ОЖО.464.121ТУ
6,8; 10,0
10,5
1,5
(Up = 16 В)

Приложение 6
КОРПУСА И РАЗМЕРЫ ПЛАТ ГИС
ХАРАКТЕРИСТИКИ КОРПУСОВ
Обозначение
Коли-
Размеры плат,
Размеры
Масса, Макси-
чество
мм
корпуса, мм
г,
мальная
выво-
не бо-
рассеи-
дов
лее
ваемая
мощность,
Вт
а b,
не
h макс h1 мин

более
151.15-4,
15
60,1 140,1
5,0 3,0 2,43
3,3
ЩИО.487.008ТУ
151.15-6,
15
60,1 140,1
3,2 1,3 2,43
3,1
ЩИО.487.008ТУ
155.15-1,
15
220,2 160,3
3,08 6,5
2
ГГО.487.003ТУ















34





35

ПРИМЕР РАЗРАБОТКИ КОНСТРУКЦИИ ГИС

Рассмотрим кратко основные вопросы расчета и разработки
топологии ГИС на примере проектирования компаратора, схема которого
показана на рис. 7.1. (T
= 358К, Т
= 233К, t
= 1000 ч ). Элементы,
макс
мин
раб.
выделенные пунктирной линией, реализуются в виде бескорпусной ИПС,
обозначаемой как А1. В табл. cведены параметры резисторов компаратора.

Параметры резисторов
Параметр









R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R8
R9
R, кОм 10
2,7
2
2,7
3,6
10
0,6
0,4
2,4
R

,%
R
10 30 30 30 20 10 2,3 10 20
доп

Р, мВт 3,77
3,33
7,41
0,83
0,003
0,06
15
10
6,67

Для конденсатора С = 100 пФ 20%; U = 0,1 В. Для транзисторов VT1;
p
VT2; мощность рассеивания равна 1,13 и 1,28 мВт соответственно; для VT3
(2Т354А) - 2,37 мВт.
В качестве материала резисторов ГИС выбираем сплав 3 (прил.3), при
этом величины K , определенные из формулы (3.2), лежат в пределах 1,143
ф
- 28,571. Проведем расчет для резистора R9 при в
= 100 мкм, ( б
) = 10
мин
4
,
2
мкм. По формуле (3.2) определим К =
= 857
,
6
.
ф
35
,
0
Из формул (3.5) - (3.7)
R
М

= ,
0 4 10-4 358
(
-
)
293
%
100 = ,
0
%;
26
R Tммак
R
М

= ,
0 4 10-4 (233 -
)
293
%
100 = - ,
0
%;
24
R Tмми
R
М

= 0 1000
%
100 = ;
0

R СТ
R
R
М
= ,
0
%;
26
М
= - ,
0
%
24
R +

R -

По формуле (3.3) при = 1,15 определим
R
20


=
- ,
0 26 = 17 13
, % .
R
15
,
1
доп
По формуле (3.8) определим
К

ф
= { [
0,5
17
]
13
,
2 - ]
5
[ 2 - [ 5
,
0 10-5 103 100]2 - [ ,
0 2 10-4 358
(
-
)
293 100]2 } =
38
,
16
%


Кф доп


36

Рис. 7.1. Схема электрическая принципиальная компаратора


Используя формулы (3.9) и (3.10), полу
чим ( К = 8
,
0 )
н
0,5
1 2

10 1
+
100
857
,
6


в

=
= 62мкм

.
38
,
16

,
6 67
0,5

в =
= 112
,
0
мм = 122мкм .
р
10 8
,
0 857
,
6

Выбираем в
=130мкм .
расч

По формуле (3.11) получим
l
=130 857
,
6
=
мкм
891
≈ 890мкм .
расч
Аналогично рассчитываются резисторы R5 и R8.

Рассчитаем высокоомный резистор R1, спроектировав его в форме
меандра (см. рис. 3.2, б). Определим по формулам (3.2) и (3.11) в
=150
расч
мкм, l =150
571
,
28
=
65
,
4285
мкм .
ср

По формуле (3.13) рассчитаем число элементов сопряжения
571
,
28
n =
5
,
0 = ,
2 7 ≈ 3.
1 + 1
Для П-образных элементов n = 3 -1 = 2 .
По формуле (3.12)
l =
,
4285 65 -150 2 4 =
,
3085 65мкм .

Тогда длина каждого из трех прямолинейных участков резистора равна
3085,65 : 3 = 1028,55 ≈ 1030 мкм.
Аналогично рассчитывается резистор R6.
Рассчитаем резистор повышенной точности R7 с учетом ступенчатой
подгонки (см. рис. 3.3, б).
По формуле (3.2) определим
600
К =
= 714
,
1
.
ф
350
Определяем по формуле (3.3)
R
3
,
2


=
- ,
0 26 = ,
1 74% .
R
15
,
1
доп
По формуле (3.9) получим

37

К

ф
= { [
0,5
74
,
1
]2 - ]5
[ 2 - [ 5
,
0 10-5 103
]
100 2 - [ ,
0 2 10-4 358
(
-
)
293
]
100 2} = - ,
22 24.


Кф доп
Так как подкоренное выражение меньше нуля, необходимо
проектировать резистор с подгонкой.

По формуле (3.10)

15
0,5

в =
= ,
1 046мм = 1046мкм .
р
10 8
,
0 ,
1 714
Выбираем в = 1050 мкм.

По формулам (3.14) и (3.15) определим
0,5

1
2

10 1
+
100
К



,
1 714


ф


=
=
%;
10
,
1
К
1050

ф

=
)
5
[( 2 +
)
10
,
1
(
2 ]0,5 =
%;
12
,
5
тех
=
-
-



-
-
-

=
R
{ [
0,5
74
,
1
]2 [ 5,
0
10 5 1000
]
100 2 [ .
0 2 10 4 358
(
)
293
]
100 2}
66
,
1
%;

66
,
1

R
= 6001+
=
96
,
609
;
Ом
макс

100

66
,
1

R
= 6001-
=
04
,
509
;
Ом
мин

100

12
,
5

96
,
609
1-

*

100
R

=
=
54
,
550
;
Ом
мин

12
,
5

1+


100
(
96
,
609
-
)
04
,
590
1050
l =
=
9
,
56
;
мкм
С

5
3501+


100
96
,
609
1050
l =
=
7
,
1742
.
мкм
О

5
3501+


100

Так как полученное значение l < l
, то выбираем длину секции
C
мин
l = l
=100 мкм.
C
мин
Скорректированные значения ширины и длины определяем по формулам
(3.17) и (3.18)
1001050
в =
=1845 ≈1850 мкм;
9
.
56
,
1742 7 1850
l =
=
,
3070 4 ≈ 3070 мкм.
О
1050
Число секций ПС (3.16)
04
,
590
-
54
,
550
100 + 5
П =

= 19
,
2
.
С
96
,
609
-
04
,
590
100 - 5

38


Выбираем П = 3 .
С
Рассчитаем конденсатор 1
С . В качестве диэлектрика выбираем
d
моноокись кремния (см. прил. 4). Принимаем К = ,
8
.
З

= %
10
d

По формулам (3.3) - (3.7)
С
М

= 210-4 358
(
-
)
293 100 =
%;
3
,
1
С Тмакс
С
М

= 210-4 358
(
-
)
293 100 = ,
1 2%;
С Тмин

С
М
= ;
0
С СТ
С
20


=
- 3
,
1 = ,
16
%.
09
С
15
,
1
доп

По формуле (3.20) определим


=
sддо
{ [
0,5
,
16 09] 2 - ]
3
[ 2 - 10
[ ]2 - [4 10-5 1000 100]2 - [ 5
,
0 10-4 358
(
-
)
293 100]2} =
57
,
11
%.
Используя формулы (3.21) и (3.22), получим
1
,
0 8
d =
= 410-7 см = 004
,
0
мкм;
U
2106
354
,
0
5
,
5 10
( 10 4
- )2
3
d =


1+
= 5
,
1 106 см = 015
,
0
мкм.

57
,
11
2


100
100

100
Учитывая, что d
= 3
,
0 мкм, выбираем d
= 5
,
0 мкм.
мин
расч
По формуле (3.23)
100 5
,
0 10-4
S =
= ,
1 027 10-2 = ,
1 027 мм2;
O
,
0 0885 5
,
5
L = B =
,
1 027 = ,
1 01мм = 1010 мкм.
Эскиз топологии ГИС компаратора показан на рис. 7.2.
Оценим тепловой режим ИПС, расположенной на плате ГИС вблизи
резистора R7, выделяющего наибольшую мощность (тепловыми полями
остальных элементов и компонентов для простоты в этом примере
пренебрегаем).
Для подложки из ситалла (см. прил. 1) определим по экспликации к
формуле (3.26) эквивалентную толщину
,
1 43 1
,
0
l = ,
0 6 +
= 08
,
1
мм.
3
,
0
Собственный перегрев ИПС определим по формуле (3.26). Площадь
0
,
1
ИПС S = ,
1 0 ,
1 0 = ,
1 0 мм2; ее относительные размеры q = r =
= ,
0 46 .
1
A
2 08
,
1

По графикам (см. рис. 3.6) определим 43
(r,q) = ,
0
.

Тогда при мощности, рассеиваемой ИПС P = 14 мВт, получим
1
A

39

14 10 3
- ,
1 0810-3 ,
0 43
=
= ,
4 6 К.
1
iA
,
1 43110-6
Фоновый перегрев, обусловленный тепловым потоком из резистора R7,
рассчитаем по формуле (3.27)
при = 85
,
1
мм; = ,
3 07 мм; 5
X = ,
0 мм; 0
Y = ;
1
2
O
O
S
= 85
,
1
,
3 07 = 68
,
5
мм2;
R7

,
1 85
0,5
q =
+
=
;
32
,
1
1


2 ,
1 08
,
1 08

,
1 85
0,5
q =
-
=
;
39
,
0
2

2 ,
1 08
,
1 08
,
3 07
0
r = r =

= ,
1 42 ;
1
2
2 08
,
1
,
1 08
(r ,q ) = (q , r ) =
;
85
,
0
1
1
1
1

( r , q ) = (r , q ) =
;
52
,
0
2
2
1
2
1510 3
- ,
1 0810 3
-

=
[ 85
,
0
+ 52
,
0
+ 52
,
0
+
]
85
,
0
= ,
1 4 К.
R7 1
A
4 ,
1 43 ,
5 6810-6





40


Рис. 7.2. Эскиз топологии ГИС


Внутренний перегрев кристалла ИПС оценим по формуле (3.25)

=141 =14 К.
1
вНА

Суммарная температура ИПС определяется по формуле (3.24)
(при максимальной рабочей температуре)
T = 385 + ,
4 6 + ,
1 4 +14 = 378 К.
1
A

Рассчитанная величина температуры не превышает предельно
допустимую (418 К) для кристалла ИПС.










41

Борис Георгиевич Коноплев

Руководство к выполнению работы
расчетно-графического практикума

Конструирование гибридных интегральных микросхем
по курсу
Конструкции и расчет микросхем и микроэлементов ЭВА
для студентов специальности 0648


Ответственный за выпуск Б. Г. Коноплев
Редактор Б. А. Федулеев






Подписано к печати 28. V. 1981
Формат 6084 116 Бумага оберточная

Офсетная печать. Усл. п. л. - 3,1. Уч.-изд. л. - 2,6.
Заказ 602 Тираж 300 экз.


Издательство Таганрогского государственного
радиотехнического университета
ГСП 17 А, Таганрог, 28, Некрасовский, 44
Типография Таганрогского радиотехнического
университета
ГСП 17 А, Таганрог, 28, Энгельса 1.


42