Дополнительные требования

Обеспечить минимальную стоимость изготовления микросхемы.

1.2 Обеспечение технических требований

Исходные данные определяют обеспечиваемые при разработке и расчетах технические требования.

Минимальные длина и ширина пленочных резисторов определяются возможностями технологического процесса изготовления – фотолитографией и заданными в перечне элементов мощностями рассеяния.

Заданный интервал температур определяет тепловой режим микросхемы, который обеспечивается требованиями к топологии платы, и материалам конструкций. Обеспечение требований минимальных габаритов выполняется с помощью большей интеграции. Требования максимальной стандартизации и унификации обеспечивается применение типовых техпроцессов при изготовлении рисунка, а также использованием стандартных навесных элементов и корпуса.

Обеспечение требования минимальной стоимости осуществляется за счет использования недорогих конструктивных материалов и отработанных типовых процессов изготовления микросхем.

Требования и размеры ограничения к топологии также определяются методом формирования рисунка – фотолитографией. Требования к конструкции и технологии ГИС определяются также элементной базой.

При конструировании и производстве должны соблюдаться требования стандартов: ОСТ4 ГО.054.028, ОСТ4 ГО.010.043, ОСТ 107.750878.001-87,

ОСТ 107.460091.004-88.

1.3 Анализ элементной базы

Согласно перечню (ГКИЮ 431273.024 ПЭ3) элементов заданное устройство – логический элемент – содержит резисторы R1…R14, транзисторы VT1…VT4, конденсатор С1.

Проанализировав разброс номиналов и мощностей у резисторов допустимые отклонения (±20% у всех резисторов), можно сделать вывод, что все резисторы целесообразно изготовлять пленочным напылением.

Транзисторы 2Т317Б СБ0.336.016 ТУ – кремниевые, бескорпусные, n-p-n-типа, устанавливаются в микросхемах по варианту II.

Установка транзисторов и конденсаторов производится в виде навесных компонентов для снижения трудоемкости и стоимости и увеличения надёжности. При выборе конденсаторов необходимо учитывать требования к минимальным размерам ГИС, их установку выполнять в соответствии с конструктивными и технологическими ограничениями и ТУ.

2 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ

2.1 Резистивные материалы

Выбор резистивного материала осуществляются по следующему алгоритму.

1. Выбираемый резистивный материал должен обладать хорошей адгезионной способностью, чтобы все наносимые материалы напылялись за один вакуумный цикл, а затем все элементы формировались методами ФЛ.

2. Удельное поверхностное сопротивление резистивного материала должно быть таким, чтобы обеспечивалась максимальная степень интеграции при минимальных размерах платы. Для этого коэффициент формы пленочных резисторов простой прямоугольной формы должен лежать в пределах от 0, 5 до 10. При расчете группы ТНП резисторов, входящих в состав одной ГИС и располагаемых на одной плате, крайне нежелательно использование различных резистивных материалов или пленки из одного и того же материала; допускается применение двух слоев – высокоомного и низкоомного.

3. Наибольшее значение удельной мощности рассеивания резистивного материала.

4. Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) должен обеспечивать заданные допустимые отклонения от номинального значения в процессе эксплуатации.

5. Минимальный коэффициент старения.

Выбор материала резисторов начинается с определения количества резистивных слоев по соотношению:

,

где R_max –максимальное номинальное значение сопротивления,

R_min – минимальное номинальное значение сопротивления:

Исходя из полученного значения соотношения, для изготовления резисторов выбираем 2 материала.

Для получения приемлемых значений коэффициента формы К_Ф высокоомных резисторов принимаем сопротивление квадрата резистивной пленки ρ _S=3000 Ом/□. Такое удельное поверхностное сопротивление обеспечивают материалы кермет К-50С и сплав РС-3710. Выбор кермета для изготовления резисторов обуславливает использование достаточно дорогой хром-керметной технологии, что противоречит требованию минимальной стоимости ГИС. Кроме того, кермет требует более сильных травителей, чем сплав РС-3710. Поэтому для резистивного слоя выбираем сплав РС-3710 (ГОСТ 22033 – 76).

Для низкоомных резисторов выбираем материал со значением ρ _S=250Ом/□. Такое удельное сопротивление имеет нихром Х20Н80. Этот материал выбран, так как он обладает небольшой удельной мощностью рассеивания, хорошей адгезией, малым ТКС и ρ _S, обеспечивая изготовления резисторов в пределах допустимых норм.

Основные параметры выбранных материалов приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Электрофизические и технологические характеристики сплава РС-3710 и нихрома Х20Н80

Материал	Сопротивление квадрата резистивной пленки ρ S, Ом/	, Вт/см2	ТКО*10-4, 1/˚ С (от –60˚ С до +125˚ С)	Рекомендованное технологическое значение ρ S, Ом/	Адгезия
РС-3710	50...3000				плохая
Нихром	100…300		2, 5		хорошая

Выбираем величину удельного поверхностного сопротивления ρ _S так, чтобы обеспечить минимальные размеры резисторов. Эта величина определяет конфигурацию резисторов. Учитывая рекомендованное технологическое значение сопротивление квадрата резистивной пленки, для высокоомных резисторов выбираем ρ _S=3000(Ом/), для низкоомных резисторов –ρ _S=250(Ом/).

2.2 Проводниковые материалы

Электрические соединения элементов и компонентов осуществляется с помощью довольно сложной в топологическом отношении системы пленочных проводников, контактных проводников с пленочными элементами МС и контактных площадок под навесные компоненты и внешние выводы.

Электрофизические свойства проводников и контактных площадок в значительной степени определяются свойства применяемых материалов, к которым предъявляется ряд требований [3]:

– низкое удельное сопротивление (ρ _s < 0.1 Ом/□);

– хорошая адгезия к диэлектрической подложке, к резистивным материалам;

– высокая антикоррозионная стойкость;

– обеспечение высокого качества микроконтактирования проводников, выводов навесных компонентов и др.;

– возможность присоединения (пайки или сварки) выводов навесных компонентов и проволочных перемычек;

– совместимость технологии нанесения проводников и контактных площадок с технологией изготовления других элементов МС.

Выбор проводниковых материалов обусловлен ранее определенной технологией для выбранного материала резистивного слоя РС3710.

Поскольку не один из материалов не удовлетворяет всем перечисленным требованиям, то используют многослойную структуру, в данном случае состоящую из трех слоев:

– слой хрома - для адгезии с проводниковым слоем (и для изготовления низкоомных резисторов);

– проводниковый слой А99 (ГОСТ618-72), алюминий является применяемым материалом из-за хороших характеристик и низкой стоимости;

– защитный слой никеля НП2 (ГОСТ 2170-73).

2.3 Материал подложки

Подложки служат диэлектрическим и механическим основанием для пленочных и навесных элементов, а также используются для отвода тепла. Материал подложки должен удовлетворять требованиям [1]:

– атомарно-гладкая поверхность, минимальная шероховатость и микронеровности;

– минимальная пористость;

– высокие изоляционные свойства;

– высокие диэлектрические свойства и малые потери (ε → мах, tgδ → min);

– высокая теплопроводность;

– температурный коэффициент расширения согласованный с наносимыми пленками;

– высокая стойкость к термоударам;

– высокая адгезия к наносимым пленкам;

– минимальное давление насыщенных паров в вакууме;

– химическая инертность к напыляемому материалу;

– химическая инертность к реактивам, растворам в процессе обработки;

– механическая прочность;

– малые коробления и неплоскостность, отсутствие волнистости поверхности;

– высокая технологичность при обработке;

– уменьшение стоимости и дефицитности материалов подложки.

Кроме того, в зависимости от назначения гибридных МС к подложкам предъявляется еще ряд дополнительных требований. Данная проектируемая ГИС работает на низкой частоте (НЧ) и не выделяет большой мощности, а изготовляется при помощи тонкопленочной технологии (ТНП).

Из числа материалов, максимально удовлетворяющих этим требованиям, выбираем Ситалл Ст50-1 ТХО.735.062 ТУ, его характеристики сведены в таблицу 2.2.

Ситалл достаточно легко поддается обработке: его можно прессовать, вытягивать, прокатывать и отливать центробежным способом. Кроме того, выбор обусловлен работой схемы на НЧ (исключаются высокочастотные поликор ВК-100, ситалл Ст38-1 и Ст32-1), тонкопленочной технологией (исключает керамику ВК94-1, ВК96-1 и ВБ-100), маломощностью схемы, высокой теплопроводностью среди ситаллов. Ситаллы также имеют преимущества перед стеклами: они хорошо обрабатываются, выдерживают резкие перепады температуры, обладают высоким электрическим сопротивлением, а по механической прочности в 2-3 раза прочнее стекла, имеют более низкие диэлектрические потери.

Таблица 2.2 – Характеристика ситалла Ст50-1 ТХО.735.062 ТУ

3 РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИИ ПЛАТЫ

3.1 Расчет геометрических размеров пленочных резисторов

3.1.1 Расчет погрешности коэффициента формы резисторов

Определяем погрешность коэффициента формы g_Кф для всех резисторов. Значения Δ R всех резисторов одинаковы, потому и значения g_Кф одинаковы:

g_Кф = g_R – g_{ρ s} – g_Rт – g_Rст – g_Rк, (3.1)

где g_R =20% = 0, 2 – предельное отклонение от номинального значения сопротивления;

g_{ρ s} = 0.05 – погрешность воссоздания удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки (не больше 5%);

g_Rт – температурная погрешность:

g_Rт = α _Rт *Δ T, (3.2)

где α _Rт = 10^-4 1/˚ С – температурный коэффициент сопротивления (ТКС) сплава РС 3710 (см.табл.2.1);

Δ T = 100˚ С – рабочий интервал температур;

g_Rст = 0, 001 – погрешность старения пленки для РС 3710;

g_Rк = 0, 01 – погрешность переходного сопротивления контактов.

Погрешность, обусловленная старением пленки g_Rк, вызвана медленным изменением структуры пленки во время ее окисления. Она зависит от материала пленки и эффективности защиты.

Погрешность переходных сопротивлений контактов зависит от технологических условий напыления, удельного сопротивления резистивной пленки и геометрических размеров контактного перехода. Обычно g_Rк = 1…3%.

Конфигурация резистора определяется его функциональным назначением, номинальным значением, удельным сопротивлением резистивной пленки, точностью, предъявляемой к его изготовлению, площадь на плате, отведенной под резистор, и технологическим процессом изготовления.

Подставив в (3.2) справочные данные, получим:

g_Rт (3.2)

g_Rт =

Тогда (3.1) будет иметь вид:

g_Кф (3.1)

3.1.2 Расчет коэффициента формы резисторов

Основным параметром пленочных резисторов является коэффициент формы:

Кф (3.3)

где Кф – коэффициент формы резистора;

R – сопротивление резистора;

l – длина резистора;

b – ширина резистора.

Выводы резисторов следует располагать в одном слое, чтобы их изготовление производилось с помощью одной маски или одного фотошаблона для исключения погрешности, которая может быть вызвана ошибками совмещения масок или фотошаблонов.

Конструктивный расчет резисторов прямоугольной формы сводится к определению его длины l и ширины b. При этом необходимо, чтобы полученный резистор при заданном значении сопротивления обеспечивал рассеяние заданной мощности Р_рас при удовлетворении требуемой точности g_R в условиях существующих технологических возможностей.

Для всех резисторов выполняется условие , потому резисторы нужно выполнять прямоугольной формы.

3.1.3 Расчет резисторов

Рассмотрим методику расчета резисторов прямоугольной формы. Такие резисторы критичны к ширине, поэтому начинается с определения ширины b. Расчетное значение ширины резистора b_р должно быть не меньше наибольшего значения одного из трех величин:

(3.4)

где мм – минимальная технологическая ширина резистора для тонкопленочной технологии;

– ширина резистора, предопределенная точностью изготовления, мм:

(3.5)

где Δ b =±0.01 и Δ l=± 0.01 мм – точность формирования геометрических размеров резистора;

– минимальная ширина резистора, при которой обеспечивается заданная мощность рассеивания резистора, мм:

(3.6)

где – заданная мощность рассеивания резистора, Вт;

– допустимая удельная мощность рассеивания материала, Вт/см² (см.табл.2.1).

За ширину резистора b принимается ближайшее к b_р большее целое значение, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии.

Определяем длину резистора через согласно (3.3):

, (3.7)

Полная длина резистора:

, (3.8)

где – длина перекрытия резистивной пленки с проводниковым слоем, которая необходима для создания контакта, мм:

, (3.9)

где мм – предельное значение перекрытия;

мм – допуск на несовмещение слоев при фотолитографии.

Вычисляем площадь резисторов:

(3.10)

Все расчеты относительно резисторов сведены в табл.3.1, 3.2 с учетом того, что шаг координатной сетки – 0, 05 мм.

Таблица 3.1 – Результаты расчетов геометрических параметров пленочных низкоомных резисторов

Группа резистивных материалов	Низкоомные ρ S =250 Ом/	Низкоомные ρ S =250 Ом/	Низкоомные ρ S =250 Ом/
Позиционные обозначения резисторов	R4, R11	R5	R8
Номинальные значения резисторов, Ом
Мощность рассеивания , мВт			0, 5
Коэффициент формы резисторов		3, 64	3, 44
Ширина резисторов по точности , мм	0, 14	0, 14	0, 14
Ширина резисторов по мощности 1.2* , мм	0, 2	0, 35	0, 15
Рассчитанная ширина резисторов , мм	0, 2	0, 4	0, 2
Рассчитанная длина резисторов , мм	0, 8	1, 5	0, 7
Величина перекрытия , мм	0, 4	0, 4	0, 4
Полная длина резистора , мм	1, 6	2, 3	1, 5
Площадь резистора , мм2	0, 16	0, 6	0, 14

Таблица 3.1 – Результаты расчетов геометрических параметров пленочных высокоомных резисторов

Группа резистивных материалов	Высоко-омные ρ S =3000 Ом/	Высоко-омные ρ S =3000 Ом/	Высоко омные ρ S =3000 Ом/	Высоко-омные ρ S =3000 Ом/	Высоко-омный ρ S =3000 Ом/
Позиционные обозначения резисторов	R1, R9, R13	R2, R10	R3, R14	R6, R7	R12
Номинальные значения резисторов, Ом
Мощность рассеивания , мВт	0, 2	0, 1	0, 5	0, 2	0, 1
Коэффициент формы резисторов	1, 87	0, 73	2, 5	2, 7	0, 5
Ширина резисторов по точности , мм	0, 15		0, 13	0, 13
Ширина резисторов по мощности 1.2* , мм	0, 06		0, 08	0, 05
Рассчитанная ширина резисторов , мм	0, 2	0, 3	0, 2	0, 2	0, 4
Длина резисторов по точности , мм		0, 05			0, 04
Длина резисторов по мощности 1.2* , мм		0, 17			0, 14
Рассчитанная длина резисторов , мм	0, 4	0, 2	0, 5	0, 55	0, 2
Величина перекрытия , мм	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3
Полная длина резистора , мм		0, 8	1, 1	1, 15	0, 8
Площадь резистора , мм2	0, 08	0, 06	0, 1	0, 11	0, 08

3.2 Конструкторско-технологические требования к навесным компонентам

Кроме пленочных резисторов заданная схема имеет навесные элементы. Их выбор для конкретной микросхемы ведут исходя из схемотехнических, конструктивно-технологических и других требований, которые предъявляются к параметрам, габаритам и методам сборки разрабатываемой конструкции.

Установку, способы крепления и методы присоединения навесных компонентов в микросхеме регламентирует ОСТ4.Г0.010.043. Размещение навесных компонентов на плате осуществляется с учетом установленного варианта установки (см. ниже). Рекомендуется навесные компоненты располагать рядами, параллельными сторонам коммутационной платы. Размещение навесных компонентов на плате должно быть выполнено с учетом:

– возможной их замены;

– обеспечения как ручной, так и автоматической установки;

– рационального использования площади подложки;

– обеспечения минимальной длины проводников при минимальном количестве мест их пересечений;

– обеспечения рекомендуемых зазоров между проводниками и контактными площадками на плате;

– обеспечения необходимого сопротивления проводящих слоев и изоляции;

– уменьшения или исключения паразитных связей между компонентами и соединительными проводниками;

– требований по обеспечению заданного теплового режима ГИС.

Основные геометрические размеры транзистора 2Т317Б показаны на рис. 3.3, а основные параметры приведены в табл. 3.3. Вариант установки II.

Рисунок 3.1– Эскиз транзистора 2Т317Б

Таблица 3.3 – Основные электрические параметры транзистора 2Т317Б

Выбор типа конденсатора производится по значению емкости, рабочего напряжения, интервалу рабочих температур, допустимой реактивной мощности, допустимому отклонению емкости от номинала, величине ТКС, а также по габаритным размерам.

Основные геометрические параметры конденсаторов приведены в табл. 3.4.

Таблица 3.4 – Геометрические параметры конденсаторов

Позиционное обозначение	Тип конденсатора	Видо-размер	Длина L, мм	Ширина B, мм	Толщина Н, мм, не более	Масса, г, не более
С1	К-10-9-Н20-4700пФ±20%				1, 0	0, 15

3.3 Расчет и выбор типоразмера платы

Общая площадь подложки рассчитывается по формуле (3.11):

S = (Σ S_R + Σ S_дк + Σ S_КП) / K_зап, (3.11)

где SS_R – общая площадь резисторов;

SS_д.к. – общая площадь дискретных (навесных) компонентов;

SS_КП – общая площадь контактных площадок;

K_зап = 0, 3 – коэффициент заполнения.

Согласно расчетам, приведенным в п.3.1, найдем общую площадь резисторов:

SS_R = 0, 14*5+0, 1875*5=1, 6375 мм².

Определим общую площадь навесных компонентов из выражения (3.12):

SS_д.к. =SS_тр. + SS_конд., (3.12)

где SS_тр – общая площадь транзисторов;

SS_конд – общая площадь конденсаторов.

Тогда

SS_д.к. =5*(0, 7*1, 7)+2*1, 9+2*(2*4)+2*(2*2)= 33, 75 мм².

Общая площадь контактных площадок определяется согласно выражению (3.13):

SS_КП =SS_{внутр.КП} + SS_{внешн.КП} = 0, 3 * 0, 3 * n + 1, 0 * 0, 4 * N, (3.13)

где SS_{внутр.КП} – общая площадь внутренних контактных площадок;

SS_{внешн.КП} – общая площадь внешних контактных площадок;

n – количество внутренних КП, n=17;

N – количество внешних КП, N=8.

Тогда

SS_КП = 0, 3*0, 3*17+1, 0*0, 4*8= 4, 73 мм².

Исходя из рассчитанных данных найдем общую площадь подложки, учитывая выбранный коэффициент заполнения:

мм²

Округляя значение S в сторону увеличения, выбираем стандартную подложку, которая имеет типоразмер:

(10´ 12) мм

Для снижения затрат материала (ситалла Ст50-1) и времени, а также повышения технологичности подложки для разрабатываемой ГИС, ввиду её относительно малых размеров, подложки размером 10´ 12 будут изготавливаться на единой стандартной плате размером 48´ 60 с последующей их резкой на отдельные платы (24 штук при типоразмере подложки 10´ 12).

4 РАЗРАБОТКА СХЕМЫ КОММУТАЦИИ И АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ТОПОЛОГИЧЕСКОГО ЧЕРТЕЖА

Процесс разработки топологии включает следующие основные этапы [7]:

– анализ схемы электрической принципиальной и составление коммутационной схемы;

– расчет геометрических размеров и определение конфигурации пленочных элементов;

– размещение на площади платы элементов, компонентов, контактных площадок и межсоединений микросхемы, т.е. разработку топологического чертежа;

– оценку качества разработанной топологии.

На первом этапе путем анализа схемы электрической принципиальной оценивается возможность реализации изделия в виде ГИС или микросборки. Выделяются элементы схемы, изготовление которых в составе ГИС невозможно (в данном случае такие элементы отсутствуют).

Далее составляется схема расположения, называемая коммутационной.

Коммутационная схема представляет собой преобразованную электрическую схему ГИС, содержащую проводники, резисторы и другие элементы в пленочном исполнении. Отдельно на схеме выделяют места под установку навесных компонентов и контактных площадок под периферийные выводы и выводы компонентов. При этом необходимо стремиться к минимуму пересечений проводников. В данной разработке пленочные элементы ГИС будут состоять из контактных площадок по периферии (8 шт.), контактных площадок под выводы навесных компонентов (17 шт.), пленочных резисторов (10 шт.) и пленочных проводников (при высокой квалификации разработчика микроэлектронного устройства можно после анализа схемы электрической принципиальной непосредственно перейти к расчету пленочных элементов, минуя составление коммутационной схемы).

На втором этапе разработки топологии выполняются расчеты параметров пленочных элементов.

После этого составляется эскиз топологии и оценивается необходимая площадь платы.

Затем проводят анализ и, в случае необходимости, корректировку схемы с целью уменьшения габаритов, расшивки узких мест и уменьшения количества пересечений.

Используя схему коммутации, можно приступать к разработке чернового эскиза топологического чертежа в масштабе 20: 1 при шаге координатной сетки 0, 05 мм. При разработке топологического чертежа необходимо учитывать технологические ограничения, присущие технологии изготовления ГИС фотолитографическими методами. Рассчитав площадь платы, определяем ее габариты из условий: максимальное количество плат на стандартной подложке 48´ 60 и максимальные размеры посадочных мест корпусов.

Итак, имеется (согласно расчетам, выполненным в п. 3.3) 16 плат на одной подложке с учётом технологического поля 1. Шаг контактных площадок по периферии выбираем 1, 25, что соответствует шагу выводов корпусов ГИС. В углах платы предусматриваем четыре реперных знака для ориентации платы при сборке и совмещения фотошаблонов при изготовлении платы. Периферийные контактные площадки плат располагаем с двух сторон (по длине).

Поскольку требований в техническом задании к проводниковым элементам не предъявляется, то максимальная их ширина не ограничивается, а минимальная определяется ограничениями по технологии.

При оценке качества разработанной технологии обращаем внимание на:

– соответствие схеме электрической;

– возможность контроля как в процессе изготовления платы, так и в процессе сборки ГИС;

– дешевизну технологического процесса при изготовлении плат;

– возможность механизации и автоматизации технологического процесса;

– правильность расчета резисторов.

В целом, топология разработана качественно, с учетом возможности технологии и автоматизации процесса изготовления платы ГИС.

После оценки качества топологии приступаем к разработке топологического чертежа, на котором показаны все слои (при этом проводниковый и маркировочный слой условно прозрачны) и пленочные элементы, а также полностью установленные навесные компоненты. Эскиз топологии приведен в приложении А, рис.А.1.

5 РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИИ КОРПУСА

5.1 Расчет типоразмера корпуса

Определяем минимальную длину корпуса через стандартное количество выводов из выражения (5.1) и через размер подложки из выражения (5.2), причем конечным результатом выберем большее значение:

Д′ _min = (k/2 – 1)*2, 5+2*Z_min, (5.1)

где Д′ _min – минимальная длина корпуса;

k – стандартное количество выводов корпуса, k = 10;

Z_min – расстояние от крайнего вывода до края корпуса (ряд 2, 25; 2, 5; 3, 5; 3, 75).

Д″ _min = B_max+2*C_min+2*Δ B, (5.2)

где Д″ _min – минимальная длина корпуса;

B_max – максимальная длина подложки, мм;

C_min – размер буртика корпуса (ряд 1, 2; 1, 5; 2 мм);

Δ B – зазор между корпусом и подложкой (0, 3…0, 5 мм).

Тогда

Д′ _min = (10/2 – 1)*2, 5+2*2, 25=14, 5 мм (5.1)

Д″ _min = 12 + 2*2 +1*0, 5=16, 5 мм (5.2)

Определим минимальную ширину корпуса по формуле (5.3):

, (5.3)

где a_max - максимальная ширина подложки, мм;

d_max - максимальный диаметр " бусы" (1, 2…1, 5 мм);

Dа - зазор между подложкой и " бусой" (0, 5 мм).

Тогда

Е′ _min =10+1, 5+2*2, 25+2*0, 5=17 мм (5.3)

Анализируя полученные размеры металлостеклянного корпуса, выбираем стандартный типоразмер 1206.14-1 ГОСТ 17467-89 (рис. 5.1).

Технические данные этого корпуса приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 – Технические данные корпуса 1206.14-1 ГОСТ 17467-89

А

А

Рисунок 5.1 – Корпус 1206.14-1 ГОСТ 17467-89

Герметизация этого металлостеклянного корпуса достигается пайкой в конвейерных печах (среда водородно-аргоновая). Максимальная температура 250…350 ⁰К. При этом достигается герметичность 5*10^-3 . Размеры площадки для монтажа подложки 17´ 15, 3 мм.

5.2 Обоснование выбранной конструкции корпуса

5.2.1 Описание конструкции корпуса

Корпусы ГИС, которые обеспечивают высокую надежность, должны отвечать следующим требованиям:

– иметь достаточную механическую стойкость и коррозионную стойкость;

– иметь минимальные габариты и массу;

– быть герметичными и предотвращать проникновение влаги внутрь корпуса;

– защищать ГИС от воздействия электромагнитного поля и радиоактивного излучения;

– обеспечивать минимальные паразитные емкости и индуктивности конструкции;

– обеспечивать надежную изоляцию между элементами, и надежный контакт между ГИС и платой;

– иметь минимальную стоимость;

– обеспечивать минимальное тепловое сопротивление между ГИС и окружающей средой;

– предоставлять возможность автоматизации процессов сборочных и контрольных операций ГИС.

Для пленочных МКС и МСБ необходимы полые корпуса с большими размерами монтажных площадок, поэтому чаще всего для их герметизации используют металлостеклянные корпуса.

Конструктивное исполнение выбранного корпуса ГИС в соответствии с выбранным вариантом герметизации показано на рисунке 5.2.

1 – крышка; 2 – основание корпуса; 3 – вывод; 4 – буса; 5 – плата

Рисунок 5.2 – Конструктивное и технологическое исполнение выбранного металлостеклянного корпуса типа 1

5.2.2 Обоснование выбора материалов корпуса

Использование ковара 29 НК ГОСТ 14080-68 для крышки, основания и выводов обусловлено:

– хорошей защитой от электромагнитных полей (ковар высокопроводящий);

– устойчивостью к коррозии (ковар не требует никаких дополнительных покрытий);

– ковар прочный, гибкий, жесткий, хорошо паяется и сваривается.

Использование для изоляции стекла С48-2 ТХ0.735.016 или С52-1 НП0.027.600 объясняется близостью ТКЛР стекла с металлом, для обеспечения качественного металлостеклянного спая.

5.3 Выбор и обоснование выбора метода герметизации

Герметизацию проводят для полной изоляции элементов микросхемы и электрических соединений от контакта с окружающей средой, всегда содержащей влагу и другие химически активные компоненты, способные вызывать постепенные отказы.

Выбор способа герметизации практически однозначно определяется конструкцией корпуса микросхемы. Другими словами, конкретная конструкция корпуса всегда ориентирована на определенный способ герметизации.

Технологические способы герметизации микросхемы должны:

– обеспечить механическую прочность в рабочем диапазоне температурных и механических воздействий при эксплуатации;

– исключать в процессе герметизации чрезмерный нагрев активных элементов;

– исключать выделение газов и паров металлов внутри корпуса;

– выполняться в среде осушенного и очищенного воздуха, азота или инертного газа с точкой росы не выше –25°С;

– допускать механизацию и автоматизацию.

В качестве метода герметизации выбираем пайку. Применение герметизации пайкой обусловлено:

– выбором металлостеклянного корпуса с небольшими габаритами и столбиковыми выводами;

– нет необходимости в больших давлениях сжатия и большого перегрева корпуса как при сварке, что важно для работоспособности активных элементов;

– нет необходимости в применении инструмента, что обеспечивает относительную простоту и невысокую стоимость технологического процесса; для серийного производства (как в данном случае) такой метод герметизации достаточно технологичен;

– достаточно малая интенсивность истечения газа из корпуса: 5_*10^-3 Па_*см³/с;

– необходимость выпускать микросхемы сериями;

– метод пайки по сравнению с методом сварки для малогабаритных корпусов (контактная электросварка, например) обеспечивает лучшее качество герметизации.

Выбранный метод герметизации и его характеристики приведены в таблице 5.2. Конструкция корпуса позволяет использовать припойную прокладку или лужение с применением флюса, т. е. делает трудным попадание припоя и флюса внутрь корпуса. Если это происходит, то припой и флюс попадают в небольших количествах, которые практически безвредны, т. к. подложка и выводы корпуса находятся выше места стыка основания и крышки. Таким образом, нет необходимости в применении пайки без флюса и припойной прокладки.

Таблица 5.2 – Характеристики выбранного метода герметизации

Для данной ГИС используется корпусная герметизация.

При герметизации пайкой металлическими припоями требуется применение для крышки и основания корпуса материалов, хорошо смачиваемых припоями или соответствующих покрытий (никелирование, золочение).

Основным недостатком герметизации с помощью пайки является необходимость значительного нагревания всего корпуса микросхемы, вредное влияние флюса, а также пониженная стойкость паяного шва из-за высокого ТКЛР по сравнению с коваром. Как показано выше и ниже, эти недостатки можно минимизировать.

Припой ОВи (ПОС-61, ПСр-2, 5) используется в виде прокладок соответствующей формы – рамки (может также наноситься предварительным лужением). Для удаления с припойных прокладок окислов и загрязнений их обрабатывают кипячением в течение 6-8 мин в травителе на основе уксусной кислоты. После отмывки в деионизированной воде прокладки хранят в этиловом спирте.

Коваровая рамка, обрамляющая основание корпуса, имеет золотое покрытие. На нее укладывается припойная прокладка, затем крышка, и прикладывается небольшое давление. В процессе нагрева припой расплавляется и заполняет зазор между крышкой и рамкой основания. Применяют различные способы нагрева.

Простейший способ нагрева (кондуктивный) заключается в применении нагревательных плит (специальные кассеты), на которые устанавливают предварительно собранные детали корпуса, прижимаемые с небольшим усилием прижимом. Припойные прокладки предварительно флюсуются погружением в раствор канифоли. Такой способ нагрева используется в мелко- и среднесерийном производстве в конвейерных печах с защитной средой.

Другой способ нагрева основан на подаче и обдуве корпуса со стороны крышки горячим газом. При этом активные элементы платы перегреваются меньше – используем этот метод нагрева. При использовании струи горячего сухого азота или аргона нет необходимости применять флюс. Пайку струей горячего газа выполняют на двухместных (двухпозиционных) установках, поочередно заменяя герметизированный корпус новым на каждой позиции и совмещая, таким образом, вспомогательное время с основным технологическим.

5.4 Контроль герметичности корпуса

Для полых (газонаполненных) корпусов достаточно объективным показателем качества может служить интенсивность истечения газа из корпуса. Методы испытания на герметичность должны отвечать одновременно требованиям высокой чувствительности и экономичности.

Интенсивность истечения оценивается потоком газа, т. е. количеством газа, вытекающего из корпуса в 1 с при определенном давлении внутри корпуса. Таким образом, интенсивность истечения имеет размерность «объем _* давление/время», например см³_*Па/с. Соответственно, под чувствительностью метода контроля понимается минимальный поток газа, который можно обнаружить данным методом.

Поскольку герметизация полых корпусов выполняется в среде с нормальным (или немного повышенным) давлением, обнаружение течи из корпуса возможно при условии, если:

– внутри корпуса имеется газ с особыми свойствами, который может быть выделен из общего газового потока специальными приборами;

– давление окружающей среды ниже давления внутри корпуса.

Для повышения чувствительности методов контроля может быть использовано либо первое, либо второе условие, либо оба одновременно. Ниже приведены основные методы контроля герметичности:

– масс-спектрометрический метод основан на обнаружении гелиевым течеискателем гелия, предварительно введенного в корпус микросхемы. Ввиду низкой производительности и сложности обслуживания установок контроля этот метод может быть рекомендован только для выборочного контроля на полуавтоматической установке УКГМ-2, например. Производительность установки – 120 шт/ч. Максимальная чувствительность установки к потоку гелия: 10^-9 см³_*Па/с; верхний предел отбраковки корпусов по потоку гелия: 1, 3_*10^-4 см³_*Па/с.

– вакуум–жидкостный метод позволяет визуально обнаружить газ, вытекающий из корпуса в случае наличия неплотностей. Чувствительность ~6, 5_*10^-1 см³_*Па/с. Метод не требует сложного оборудования, используется как предварительный.

– компрессионно-термический метод – разновидность вакуум–жидкостного, только рабочая жидкость нагрета. Чувствительность ~5, 2_*10^-1 см³_*Па/с.

– Влажностный метод – универсальный, дает объективную оценку качества герметизации и является составной частью климатических испытаний ГИС. Одновременно оценивается стойкость материалов и покрытий корпуса к воздействию влаги. Испытания проводятся в камере тепла и влаги.

Ввиду того, что производство данной микросхемы – крупносерийное и существует необходимость контроля больших партий производимых микросхем, то для контроля герметичности будет использоваться вакуум-жидкостный метод – он позволяет контролировать крупные серии выпускаемых ГИС. Для проверки выбранного метода контроля выбираем малопроизводительный, но наиболее точный метод контроля – масс-спектрометрический.

6 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МЕТОДОВ МИКРОКОНТАКТИРОВАНИЯ НАВЕСНЫХ КОМПОНЕНТОВ, КОНТАКТНЫХ ПЛОЩАДОК ПЛАТЫ И ВЫВОДОВ КОРПУСА

Монтажные операции, связанные с присоединением выводов, осуществляют для создания внутри схемных электрических соединений и для коммутации периферийных контактов ГИС с внешними выводами корпуса. Соединения должны быть прочными и надежными, иметь хорошие электрофизические параметры; воздействие технологических режимов сборки не должно ухудшать параметров МС, контроль качества соединения должен быть простым и надежным. Выводы можно присоединить пайкой или микросваркой. С помощью пайки получаются ремонтопригодные соединения, т.е. такие, которые можно демонтировать и перепаять без повреждения коммутируемых элементов. Инструменты, применяемые при пайке, достаточно просты. В тоже время паяное соединение характеризуется относительно большой площадью, а сам процесс - низкой производительностью; возможно растворение материала перемычек и пленочных контактов в расплавленном припое; воспроизводимость параметров соединения невысока.

Поэтому применяем микросварку. Ее преимуществами являются:

– возможность управления параметрами процесса, его механизация и автоматизация;

– высокое качество и воспроизводимость параметров соединения;

– предопределенность формы и размера сварной точки, что приводит к минимизации площади получаемого соединения;

– хорошая свариваемость материалов соединительных проволок и материала контактных площадок.

При проведении сварки необходимо учитывать следующие требования:

– необходимо стремиться к использованию одной установки для всех видов сварки, что понижает стоимость конечного изделия и повышает его технологичность;

– необходимо не допустить перегрева активных элементов;

– необходимо использовать проволоку малой массы и большой прочности.

В разрабатываемой ГИС применим следующие типы проволок: для присоединения контактных площадок платы к выводам корпуса – алюминиево-кремниевая проволока А999К09 ГОСТ 618-72, прочность которой в отожженном состоянии достигает 450 Н/мм² при относительном удлинении до 4%. Проволоку выпускают в диапазоне диаметров 27-50 мкм. Для формовки выводов навесных компонентов – золотую проволоку Зл999, 9 ГОСТ 6835-76, которая выпускается в диапазоне диаметров 25-60 мкм, она имеет наилучшую электропроводность, но при этом обладает невысоким сопротивлением к разрыву, а также невысокой вибро- и удароустойчивостью (при этом входящей в пределы, заданные в техническом задании).

Наиболее эффективный метод сварки для вышеназванных материалов - сварка косвенным импульсным нагревом (СКИН), которая и выбирается для данной разработки. При СКИН разогрев рабочей зоны осуществляется только в момент сварки импульсом тока, проходящим непосредственно через инструмент, после приложения давления. Специальная V-образная конструкция инструмента дает возможность сосредоточить выделяющуюся теплоту, передаваемую соединяемым элементам, на его торцевой (рабочей) части. Сопротивление при этом падает, под действием приложенного давления происходит осадка металлического проводника и образование соединения. Локализация нагрева в зоне соединения существенно уменьшает тепловое воздействие на изделие. В тоже время во избежание теплового удара на подложку в зоне сварки часто требуется небольшой общий подогрев изделия, т.е. нагрев рабочего столика. Основными параметрами процесса являются давление и температура нагрева инструмента, а также длительность импульса нагрева. Для точного дозирования энергии, подводимой в зону сварки и уменьшения инерционности процесса, используют амплитудно-модулированный импульс тока с несущей частотой от 0, 5 до 1, 5 кГц. Устройство автоматической стабилизации обеспечивает точность температуры торца инструмента в пределах ±(2-5)°С.

При соединении выводов корпуса и внешних контактных площадок платы используем диэлектрические прокладки для предотвращения замыкания проволоки, соединяющей выводы корпуса и внешние контактные площадки платы на корпус. Эскиз такого монтажа приведен на рисунке 6.1

1 – внешние контактные площадки платы;

2 – соединительная проволока;

3 – клей ВК-9;

4 – плата;

5 – диэлектрическая прокладка;

6 – вывод корпуса

Рисунок 6.1 – Эскиз монтажа внешних контактных площадок платы и выводов корпуса с использованием диэлектрической прокладки

7 РАЗРАБОТКА МАРШРУТНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГИС

7.1 Технологический процесс изготовления платы

Технологический процесс изготовления платы состоит из подготовительных операций, основных операций, и операций контроля.

Исходными данными для разработанного маршрутного технологического процесса являются:

Материалы резисторов – сплав РС 3710, нихром Х20Н80

проводниковые структуры:

адгезионный подслой – нихром,

проводниковый слой – алюминий,

защитный слой – никель,

диэлектрический защитный слой – фоторезист ФН-11с,

маркировочный слой – фоторезист ФП-58-6.

Технологический процесс, разработанный на основе типовых техпроцессов, представлен на рисунке 7.1.

Рисунок 7.1 – Технологический процесс изготовления платы

Рисунок 7.1, лист 2

Рисунок 7.1, лист 3

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒