Проектирование топологии ГИС

Основным завершающим этапом процесса конструирования гибридных ИМС является разработка топологического чертежа микросхемы и ее оптимизация. Топологический чертеж микросхемы представляет собой конструкторский документ, строго определяющий ориентацию и взаимное расположение всех элементов микросхемы на площади подложки, а также форму и размеры пассивных элементов. Его составляют с учетом ряда требований и ограничений, определяемых принципом работы и назначением микросхемы. Иначе говоря, топологический чертеж, или просто топология микросхемы, – это документ, предопределяющий оптимальное размещение элементов микросхемы на подложке и обеспечивающий изготовление микросхемы с заданными техническими и электрическими параметрами. Разработку топологии рекомендуется проводить в такой последовательности: составление схемы соединения элементов на плате; расчет конструкций пленочных элементов; определение необходимой площади платы и согласование с типоразмером

корпуса, выбранного для ГИС; разработка эскиза топологии; оценка качества разработанной топологии и при необходимости_ ее корректировка. Для составления схемы соединений на принципиальной электрической схеме выделяют пленочные элементы и навесные компоненты, намечают порядок их расположения и проводят упрощение схемы соединений с целью уменьшения числа пересечений проводников и сокращения их длины. Производят выбор материалов и расчет геометрических размеров пленочных элементов. Затем приступают к определению необходимой площади платы. Из технологических соображений элементы микросхемы располагают на некотором расстоянии от ее края. Промежутки между элементами определяются технологическими ограничениями и условиями теплоотвода.

Определяют ориентировочную площадь платы. После вычисления ориентировочной площади платы выбирают ее типоразмер согласно табл. 2.1. Одновременно выбирают

способ защиты ГИС (см. п. 11) и в случае использования корпусов – типоразмер корпуса. Рекомендуемые размеры плат: 20´ 24, 20´ l6, 15´ 16, 15´ 8 мм и т.д. Далее приступают к разработке эскиза топологии. На этом этапе решают задачу оптимального размещения на плате пленочных элементов, навесных компонентов и соединений между ними, а также между внешними контактными площадками на плате и выводами корпуса. Для разработки эскизных топологических чертежей необходимо знать: схему электрическую принципиальную и схему соединения элементов; форму и геометрические размеры пленочных элементов и навесных компонентов; ориентировочные размеры и материал платы, предварительно выбранный метод индивидуальной герметизации, вид и размеры корпуса или метод установки платы в блоке при групповой герметизации; возможности производственной базы, предназначенной для изготовления разрабатываемой ГИС.

Начальный этап разработки топологии состоит в изготовлении эскизных чертежей, выполненных в масштабе 10: 1 или 20: 1. Масштаб выбирают, исходя из удобства работы, наглядности и точности. Эскизный чертеж варианта топологии ГИС выполняют совмещенным для всех слоев. Непосредственно перед разработкой топологии составляется схема расположения, называемая также коммутационной (рис).

Навесные компоненты изображают с соблюдением порядка расположения выводов. Грани навесных компонентов располагают вдоль осей координатной сетки. Одновременно с размещением элементов и компонентов проводят линии электрической связи (проводники). Расстояние между параллельными линиями, изображающими проводники, берут с учетом ширины проводников и расстояний между ними. Линии проводят параллельно осям координат. При вычерчивании необходимо следить за тем, чтобы пленочные проводники отличались от проволочных выводов навесных компонентов, навесных перемычек, места соединения их обозначают контактными площадками. Элементы ГИС, принадлежащие разным слоям, в первом эскизе рекомендуется изображать разными цветами. При создании чертежа топологии необходимо обращать внимание на использование наиболее простых форм элементов, равномерность размещения элементов на плате, обеспечение удобств при выполнении сборочных операций, увеличение размеров контактных площадок, расширение допусков на совмещение слоев и т.д. При вычерчивании элементов следует экономно использовать площадь, что достигается выбором соответствующей конфигурации (если это допускается) размещаемых пленочных элементов. При разработке топологии нужно учитывать обеспечение возможности измерений электрических параметров пленочных элементов (резисторов, конденсаторов и т.д.). Если структура электрической схемы не позволяет этого сделать (например, параллельное соединение конденсатора и резистора), методика проверки узлов и требования к топологии, связанные с этой проверкой, должны быть определены до начала разработки топологии. При разработке топологии необходимо обеспечить возможность выполнения требований к монтажу применяемых навесных компонентов, а также требования к сборке и защите микросхемы. При проработке первого варианта топологии обычно не удается получить приемлемую конфигурацию слоев. Работа над следующими вариантами топологии сводится к устранению недостатков первого варианта для того, чтобы чертеж отвечал всем конструктивно-технологическим требованиям и ограничениям. После того как окончательно выбран вариант топологии, приступают к изготовлению чертежей слоев микросхемы по элементам (резисторы, проводники и контактные площадки, нижние обкладки конденсаторов, диэлектрики и т.д.). Эти чертежи – основа для изготовления комплекта фотошаблонов и масок. Способ и последовательность работы по размещению и выбору формы пленочных элементов могут быть различными: эта

работа во многом определяется опытом разработчика и носит индивидуальный характер. Для нахождения оптимального варианта размещения элементов на плате в настоящее время используют методы проектирования топологии с помощью прикладных программ.

Оценка качества разработки топологии ГИС

Разработанная топология должна: соответствовать принципиальной электрической схеме; удовлетворять всем предъявленным конструктивным требованиям; быть составлена таким образом, чтобы для изготовления микросхемы требовалась наиболее простая и дешевая технология; обеспечить заданный тепловой режим и возможность проверки элементов в процессе изготовления. Емкостные и индуктивные связи не должны нарушать

нормальную работу схемы при заданных условиях эксплуатации. При проверке правильности разработки топологии ГИС принимают такой порядок. Проверяют соответствие принципиальной электрической схеме; внешних контактных площадок –

выводам корпуса; конструктивно-технологическим требованиям и ограничениям согласно Приложению 1; расчетным значениям длины, ширины и коэффициента формы резисторов и в случае необходимости производят корректировку размеров резисторов. Проверяют наличие в схеме пересечения пленочных проводников и защиту их диэлектриком, возможность контроля элементов, обеспечение нормального функционирования микросхемы

при заданных условиях эксплуатации. При необходимости проводят оценку емкостных и индуктивных связей. Проверка эскиза топологии сопровождается уточнением и

корректировкой, в результате этого разрабатывается окончательный вариант топологии.

На рис. 2.26 показана топология тонкопленочной гибридной схемы. На топологическом чертеже плату изображают со всеми нанесенными на нее слоями с указанием позиционных

обозначений элементов в соответствии с принципиальной электрической схемой. Каждый слой обозначают соответствующей штриховкой. Вид штриховки расшифровывается в таблице, помещаемой в поле чертежа. Допускается на изображении нижних обкладок конденсаторов штриховать только участки, выступающие за края верхней обкладки. Наклон штриховки нижних и верхних обкладок должен быть различным. Контактные площадки нумеруются, начиная с левого нижнего угла чертежа, внаправлении против часовой стрелки. Вначале нумеруются все внешние контактные площадки, а затем – внутренние (очередными порядковыми номерами). Нумерацию внутренних контактных площадок проводят с нижнего левого угла снизу вверх и слева направо.

На топологическом чертеже микросхемы обязательно должен указываться ключ – начало отсчета контактных площадок. Ключ может быть выполнен в виде какой-либо фигуры, например треугольника, нанесенной на свободное поле платы. Либо в виде увеличенной нижней левой периферийной контактной площадки. Технические требования помещают на поле топологического чертежа микросхемы. Они включают требования, предъявляемые к качеству поверхности подложки, данные по напылению отдельных слоев, требования к точности размеров элементов и внешнему оформлению микросхемы. В специальную таблицу помещают данные о номинальных параметрах и допусках пленочных элементов и указания по измерению параметров. На основании топологического чертежа выполняют послойные чертежи (отдельные чертежи на каждый слой) в том же масштабе, что и топологический чертеж. Эти чертежи (рис. 2.27) – основа для изготовления технологической оснастки (фотошаблонов, масок). Размеры элементов каждого слоя задаются в прямоугольной системе координат и сводятся в таблицу, помещаемую на поле чертежа соответствующего слоя. Вершины фигур, очерчивающие пленочные слои, нумеруются. Нумерацию в пределах каждого элемента начинают с крайней левой нижней вершины,

имеющей наименьшее значение координаты X, и продолжают по часовой стрелке; нумерацию вершин элементов в пределах слоя – с нижнего левого элемента с переходом к следующему ближнему по направлению снизу вверх и слева направо. Чертежи на отдельные слои помечают надписью с названием слоя (например, «Вид на резистивный слой»).

Завершающим этапом проектирования гибридной микросхемы является разработка комплекта конструкторской документации.