О.В. Задерейко, Л.І. Панов, О.В. Циганов

КОНСТРУЮВАННЯ І ТЕХНОЛОГІЯ РАДІОЕЛЕКТРОННОЇ АПАРАТУРИ

Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів

ЗMICT

2.5. Розробка топології плат МЗБ

Розробка топології плат мікрозборок полягає у визначенні конфігурації і розмірів тонкоплівкових (товстоплівкових) елементів і їх раціональному розміщенні на підкладці. Розробка топології відбувається в такому порядку: розрахунок тонкоплівкових (товстоплівкових) елементів (резисторів і конденсаторів); складання комутаційної схеми МЗБ; вибір типорозміру підкладки; оформлення топологічного креслення.

2.5.1. Розрахунок тонкоплівкових і товстоплівкових резисторів

Основними параметрами резисторів є такі: номінальний опір резистора R; відносна похибка опору γ_R = ΔR/R; потужність, що розсіюється резистором, Р; геометричні розміри резистора: ширина b і довжина l; коефіцієнт форми резистора k = b/1.

Відносна похибка опору резистора:

Y_R = Y_k + Y_ркв + Y_Rt + Y_Rτ + У_Rк,

де γ_k = Δb/b + Δl/l - відносна похибка коефіцієнта форми (Δb і Δl - абсолютні похибки виконання розмірів резистора); γ_ркв - відносна похибка опору квадрата резистивної плівки (γ_ркв ≤ 5%); γ_Rt = α_RΔt (α_R - температурний коефіцієнт резистивного матеріалу, Δt = мах{t_min -20°C; t_max - 20°C} - збільшення температури резистора в діапазоні робочих температур МЗБ); γ_Rτ = k_ττ - відносна похибка резистора, обумовлена старінням (k_τ - коефіцієнт старіння, - час роботи резистора (γ_Rτ ≤ 3%)); γ_Rx - відносна похибка опору контактних переходів резистора (γ_Rk ≤ 1...2%).

Вихідні дані для розрахунку резисторів: опір резистора R, відносна похибка опору γ_R; потужність, що розсіюється резистором Р; діапазон робочих температур t_mιn...t_max.

Розрахунок резисторів починають з вибору резистивного матеріалу. Для цього визначають оптимальне значення опору квадрата резистивної плівки, яке мінімізує площу резисторів:

де R_i - номінальне значення опору i-ro резистора. За табл. 2.1, у якій наведені параметри резистивних матеріалів, вибирають матеріал з опором квадрата резистивної плівки р_кв ≈ р_кв.опт. і тим самим визначають інші параметри матеріалу: питому потужність розсіювання P₀, температурний коефіцієнт опору (ТКО) α_R.

За допомогою формули знаходять припустиму відносну похибку коефіцієнта форми:

Y_к = Y_R - Y_ркв - Y_Rt - Y_Rτ - У_Rк,

Резистивний матеріал обраний правильно, якщо γ_k > 0. По заданій відносній похибці γ_R вибирається метод формування конфігурації резистора: масочний (γ_R=10...15%) чи фотолітографічний (γ_R = 5...10%).

Знаходять коефіцієнт форми резистора k = R/ρ_кв. При масочному методі, якщо 1 ≤ k≤ 10, резистор виконується у вигляді прямокутної смужки (Рис. 2.1,а), якщо k > 10, то резистор виконується у вигляді складеного чи меандру, (Рис. 2.1,б).

Таблиця 2.1

* - матеріал має обмежене застосування.

Тонкоплівкові резистори у вигляді прямокутної смужки при фотолітографічному методі можуть мати коефіцієнт форми 1 < k < 10. При коефіцієнті форми резистора k > 1 знаходять розрахункову ширину резистора b = max{ b^T_min, b^П_min, b^Р_min}, де b^T_min - мінімальна технологічно реалізована ширина (при масочному методі b^T_min = 200 мкм, при фотолітографічному - b^T_min = 100 мкм); b^П_min = γ_k(Δb + Δl/k) - мінімальна ширина резистора, що забезпечує припустиму відносну похибку коефіцієнта форми, γ_k - припустима похибка коефіцієнта форми, виражена у відносних одиницях, Δb і Δl - абсолютні виробничі похибки розмірів резистора (при масочному методі Δb = Δl = 10 мкм, при фотолітографічному методі Δb = Δl = 5 мкм);

- мінімально припустима ширина резистора, що забезпечує задану потужність розсіювання.

Рис. 2.1. Форми резисторів

За відомою шириною b визначають довжину резистора l = b_k. Якщо для формування конфігурації резистора використовується масочний метод чи метод фотолітографії, то знаходять повну довжину резистора l_п = l + 2h_i де h - необхідне перекриття резистивного і провідного шарів (Рис. 2.1.а), при якому виконується вимога до відносної похибки опору контактних переходів. Ширина контактної площадки b_k = b + 2h_b, де h_b - припуск на сполучення шарів МЗБ. Звичайно приймають h_b = h_l = 100...200 мкм. У разі селективного травлення резистивного і провідного шарів (подвійна фотолітографія) l_п = l, h_b = h_l = 0.

Через геометричні розміри знаходять площу резистора S = bl.

Елементи МЗБ повинні вписуватися в координатну сітку, в якій виконується топологічне креслення. Тому розміри b і l округляються до величини Δ, кратної кроку координатної сітки. Щоб знайти значення Δ, необхідно крок координатної сітки розділити на масштаб, у якому виконується топологічне креслення.

Перевірка результатів розрахунку полягає у визначенні фактичних значень питомої потужності, що розсіюється резистором. P₀^ф = Р/S ≤ P_o, фактичної відносної похибки коефіцієнта форми у_к^Ф = Δb/b + Δl/l ≤ γ_k і фактичної відносної погрішності резистора γ_R^Ф = γ_k^Ф + γ_ρкв+ γ_Rτ + γ_Rk ≤ γ_R.

У разі невиконання хоча б однієї з умов слід збільшити ширину резистора b на величину Δ чи відносну похибку γ_R.

При розрахунку тонкоплівкового резистора з коефіцієнтом форми k < 1 знаходять довжину резистора l = max{l^T_min, l^П_min, l^P_min}, де l^T_min - мінімальна технологічно реалізована довжина резистора (звичайно l^T_min = b^T_min); l^П_min = (Δl + Δbk)/γ_k - мінімальна довжина резистора, що забезпечує припустиму відносну похибку коефіцієнта форми; Im_n = у/Pk/P₀ - мінімально припустима довжина резистора, що забезпечує задану потужність розсіювання. Потім визначають повну довжину резистивної плівки l_п=l+2h_i і ширину резистора b=1/k.

Розрахунок тонкоплівкового резистора типу "меандр" (Рис. 2.1,б) до визначення ширини резистора b не відрізняється від розрахунку резистора у вигляді прямокутної смужки з k > 1. Потім знаходять середню довжину резистора l_ср = kb, повну довжину резистивної смужки, і кількість ланок резистора (Рис. 2.1,б) ланку умовно виділено) де t = a + b - "крок" меандру, а - відстань між сусідніми ланками. Для мінімізації площі резистора звичайно вважають, що а = b. Через число ланок визначають розміри контуру резистора L = n (a +b), В = (l_ср - аn)/n. При методі вільної маски повинне виконуватися конструкторсько-технологічне обмеження (B-b)/a ≤ 10. Якщо воно не виконується, необхідно збільшити відстань а, поклавши а = 2b, а = 3b і т. ін.

Матеріали розрахунку по одному резистору кожного типу (смужка з k < l, k ≥ l і меандр) треба представити в пояснювальній записці у вигляді послідовного розрахунку за формулами, наведеними вище, а результати розрахунку всіх інших тонкоплівкових резисторів рекомендується проводити на ЕОМ за програмами, що є на кафедрі чи розроблені студентом. Результати розрахунків необхідно оформлювати в пояснювальній записці у вигляді таблиці (табл. 2.2).

Таблиця 2.2