Конструирование микросхем и микропроцессоров

 
 
 
 
Требуется разработать комплект конструкторской документации интегральной микросхемы К 237 ХА2. По функциональному назначению разрабатываемая микросхема представляет собой усилитель промежуточной частоты. Микросхема должна быть изготовлена по тонкопленочной технологии методом свободных масок (МСМ) в виде гибридной интегральной микросхемы (ГИМС).

Рис. 1 Схема электрическая принципиальная
Таблица 1 Номиналы элементов схемы

Элемент	Номинал	Элемент	Номинал	Элемент	Номинал	Элемент	Номинал
R1	950 Ом	R7	4,25 кОм	R13	1 кОм	R19	1 кОм
R2	14 кОм	R8	12,5 кОм	R14	3,5 кОм	C1	3800 пФ
R3	45 кОм	R9	500 Ом	R15	10 кОм	VT1-VT8	КТ 312
R4	35 кОм	R10	3 кОм	R16	3,5 кОм	E	7,25 В
R5	12,5 кОм	R11	10 кОм	R17	2,5 кОм
R6	950 Ом	R12	500 Ом	R18	1 кОм

Для подачи на схему входного сигнала и снятия выходного к микросхеме требуется подключить некоторое количество навесных элементов. Одна из возможных схем включения приведена на следующем рисунке:

Рис. 2 Возможная схема включения
Таблица 2 Номиналы элементов схемы включения

Элемент	Номинал	Элемент	Номинал
RA	8,2 кОм	CB	1 мкФ
RB	43 Ом	CC	0,033 мкФ
RC	2,2 кОм	CD	0,015 мкФ
RD	1,5 кОм	CE	4700 пФ
CA	3300 пФ	CF	3300 пФ

Технические требования
Конструкцию микросхемы выполнить в соответствии с электрической принципиальной схемой по тонкопленочной технологии методом свободных масок в корпусе. Микросхема должна удовлетворять общим техническим условиям и удовлетворять следующим требованиям:

• предельная рабочая температура - 150° С;


• расчетное время эксплуатации - 5000 часов;


• вибрация с частотой - 5-2000 Гц;


• удары многократные с ускорением 35;


• удары однократные с ускорением 100;


• ускорения до 50.

Введение

Микросхема К 237 ХА 2 предназначена для усиления и детектирования сигналов ПЧ (промежуточной частоты) радиоприемных устройств не имеющих УКВ диапазона, а также для усиления напряжения АРУ (автоматической регулировки усиления). Широкополосный усилитель ПЧ состоит из регулируемого усилителя на транзисторах Т4, Т5 и Т6. Усиленный сигнал поступает на детектор АМ-сигналов (амплитудно-модулированных сигналов), выполненный на составном транзисторе Т7, Т8. Низкочастотный сигнал с резистора R19, включенного в эмиттерную цепь, подается через внешний фильтр на предварительный усилитель НЧ (низкой частоты), а также через резистор R15 на базу транзистора Т3, входящего в усилитель АРУ. Усиленное напряжение АРУ снимается с эмиттера транзистора Т2. Изменение напряжения на эмиттере транзистора Т2 вызывает изменение напряжения питания транзистора Т1, а следовательно и его усиления.
На частоте 465 кГц коэффициент усиления усилителя ПЧ составляет 1200 - 2500. Коэффициент нелинейных искажений не превышает 3%. Если входной сигнал меняется от 0,05 до 3 мВ, то изменение выходного напряжения не превышает 6дБ. Напряжение на выходе системы АРУ при отсутствии выходного сигнала составляет 3 - 4,5 В. Напряжение питания составляет 3,6 - 10 В. Потребляемая мощность не более 35 мВт.

Электрический расчет принципиальной схемы

Микросхема усиления промежуточной частоты (ПЧ) К 237ХА2 может быть изготовлена по тонкопленочной технологии с применением навесных элементов. Конструкция микросхемы выполняется методом свободной маски, при этом каждый слой тонкопленочной структуры наносится через специальный трафарет. На поверхности подложки сформированы пленочные резисторы, конденсаторы, а также контактные площадки и межэлементные соединения. Пленочная технология не предусматривает изготовление транзисторов, поэтому транзисторы выполнены в виде навесных элементов, приклеенных на подложку микросхемы. Выводы транзисторов привариваются к соответствующим контактным площадкам.
Основной задачей электрического расчета является определение мощностей, рассеиваемых резисторами и рабочих напряжений на обкладках конденсаторов.

Данные для расчета геометрических размеров тонкопленочных элементов

Таблица 3 Данные для расчета резисторов

Резистор	Рном , Вт	gR		Резистор	Рном , Вт	gR
R1	1,41E-6	0,2	0,1	R11	4,46E-3	0,22	0,1
R2	3,36E-8	0,22	0,1	R12	2,23E-4	0,2	0,1
R3	2,47E-4	0,22	0,1	R13	1,79E-5	0,2	0,1
R4	1,98E-4	0,22	0,1	R14	1,05E-2	0,2	0,1
R5	8,58E-6	0,22	0,1	R15	3,91E-10	0,22	0,1
R6	5,35E-13	0,2	0,1	R16	1,27E-6	0,2	0,1
R7	3,21E-5	0,2	0,1	R17	3,46E-4	0,2	0,1
R8	3,30E-3	0,22	0,1	R18	1,95E-4	0,2	0,1
R9	7,4E-5	0,2	0,1	R19	1,97E-4	0,2	0,1
R10	4,51E-5	0,2	0,1

Таблица 4 Данные для расчета конденсаторов

Конденсатор	Uраб , В
C1	2,348	0,23	0,115

 
Технологическая часть

1. Изготовление масок;


2. Подготовка подложек;


3. Формирование тонкопленочной структуры;


4. Подгонка номиналов;


5. Резка пластин на кристаллы;


6. Сборка;


7. Установка навесных элементов;


8. Контроль параметров;


9. Корпусная герметизация;


10. Контроль характеристик;


11. Испытания;


12. Маркировка;


13. Упаковка.

Методы формирования тонкопленочных элементов

Основными методами нанесения тонких пленок в технологии ГИМС являются: термическое испарение в вакууме, катодное, ионно-плазменное и магнетронное распыления.
Термическое испарение в вакууме 10-3 - 10 -4 Па предусматривает нагрев материала до температуры, при которой происходит испарение, направленное движение паров этого материала и его конденсация на поверхности подложки. Рабочая камера вакуумной установки (Рис. 5, а) состоит из металлического или стеклянного колпака 1, установленного на опорной плите 8. Резиновая прокладка 7 обеспечивает вакуум-плотное соединение. Внутри рабочей камеры расположены подложка 4 на подложкодержателе 3, нагреватель подложки 2 и испаритель вещества 6. Заслонка 5 позволяет в нужный момент позволяет прекращать попадание испаряемого вещества на подложку. Степень вакуума в рабочей камере измеряется специальным прибором - вакуумметром.

Рис. 5. Методы осаждения тонких пленок а) - термическое испарение в вакууме; б) - катодное распыление; в) - ионно-плазменное распыление; 1 - колпак; 2 - нагреватель подложки; 3 - подложкодержатель; 4 - подложка; 5 - заслонка; 6 - испаритель; 7 - прокладка; 8 - опорная плита; 9 - катод-мишень; 10 - анод; 11 - термокатод

Катодным (ионным) распылением (Рис. 5, б) называют процесс, при котором в диодной системе катод-мишень 9, выполненный из распыляемого материала, оседающие в виде тонкой пленки на подложке 4. Ионизация инертного газа осуществляется электронами, возникающими между катодом-мишенью 9 и анодом 10 при U= 3-5 кВ и давлении аргона 1-10 Па.
При ионно-плазменном распылении (Рис. 5, в) в систему анод 10 - катод-мишень 9 вводят вспомогательный источник электронов (термокатод 11). Перед началом работы рабочая камера 1 откачивается до вакуума 10-4 Па и на термокатод 11 подается ток, достаточный для разогрева его и создания термоэлектронного тока (термоэлектронная эмиссия). После разогрева термокатода 11 между ним и анодом 10 прикладывается U=200 В, а рабочая камера наполняется инертным газом (Ar) до давления 10-1 - 10-2 Па - возникает газовый плазменный разряд. Если подать отрицательный потенциал на катод-мишень 9 (3-5 кВ), то положительные ионы, возникающие вследствие ионизации инертного газа электронами, будут бомбардировать поверхность катода-мишени 9, распылять его, а частицы материала оседать на подложке 4, формируя тонкую пленку.
Определенная конфигурация элементов ИМС получается при использовании специальных масок, представляющих собой моно- или биметаллические пластины с прорезями, соответствующими топологии (форме и расположению) пленочных элементов.
Удалив ненужную более маску, на поверхность наносят сплошную защитную пленку (например из оксида кремния) и в третий раз создают фоторезистивную маску, открывая участки защитного покрытия над контактными площадками. Протравив защитное покрытие в этих местах и удалив фоторезистивную маску, получают плату ГИМС с пленочными элементами и открытыми контактными площадками.
Для формирования сложных ТПЭ большой точности применяют фотолитографию, при которой сплошные пленки материалов ТПЭ наносят на подложку, создают на ее поверхности защитную фоторезистивную маску и вытравливают незащищенные участки пленки. Затем эту маску удаляют и сверху наносят сплошную пленку металла (например, алюминия). После создания второй фоторезистивной маски и травления незащищенного алюминия на поверхности подложки остаются полученные ранее резисторы, а также сформированные проводники и контактные площадки, закрытые фоторезистивной маской.

 
 
 
 
 
 
 
Список использованной литературы:

• “Методические указания к выполнению курсового проекта по курсу “Конструирование микросхем и микропроцессоров” 1988


• Романычева Э.Т. ”Разработка и оформление конструкторской документации РЭА” 1989