Теоретические основы конструирования, технологии и надежности (стр. 6 )

44. и др. Курсовой проект. Методическая разработка. - Мн.: БГУИР, 1999.

45. , и др. Инструкция к пакету программ расчета теплового режима, вибропрочности, надежности, технологичности РЭУ и трансформатора по дисциплине "Конструирование и микроминиатюризация РЭУ" для студ. спец. "Конструирование и технология радиоэлектронных средств". - Мн.: МРТИ, 1991.

46. и др. Надежность приборов и систем управления. - Л.: Машиностроение, 1975.

47. Авиационная акустика/ Под ред. . - М.: Машиностроение, 1981.

48. Устройства электропитания бытовой РЭУ. - М.: Радио и связь, 1991.

49. Реферативный журнал. 24. Радиотехника. 24 Д. Проектирование, конструирование, технология и оборудование для радиотехнического производства. 1991, № 11.

50. Обмен опытом в радиопромышленности. Конструкторская документация: техническое задание. Рекомендации по составлению технического задания и

проведению конструкторского анализа: Справочно-учебно-метод. пособие для студ. спец. "Конструирование и производство РЭУ"/ Под ред. , . - Мн.: БГУИР, 1994.

51. , и др. Методическое пособие и сборник заданий для курсового проектирования и лабораторно-практических заданий для студентов специальности "Конструирование и производство РЭУ" (с приложением). - Мн.: МРТИ, 1992.

52. , и др. Методическое пособие по разработке печатного монтажа. Сборник заданий для конструкторского практикума для студ. спец. "Конструирование и производство РЭУ". - Мн.: МРТИ, 1993.

53. Конструирование радиоэлектронных средств: Учеб. пособие для студ. спец. "Конструирование и технология радиоэлектронных средств"/ , , и др.; Под ред. . - Мн.: МРТИ, 1984.

Утверждена

УМО вузов Республики

Беларусь по образованию в области

информатики и радиоэлектроники

« 03 » июня 2003 г.

Регистрационный № ТД-39-062/тип.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Учебная программа для высших учебных заведений

по специальностям

IПроектирование и производство радиоэлектронных средств,

IМоделирование и компьютерное проектирование

радиоэлектронных средств

Согласована с Учебно-методическим управлением БГУИР

« 28» мая 2003 г.

Составитель:

, доцент кафедры радиоэлектронных средств Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники», кандидат технических наук

Рецензенты:

, доцент кафедры электронно-вычислительных средств Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники», кандидат технических наук;

Кафедра общетехнических дисциплин Учреждения образования «Минский государственный высший радиотехнический колледж» (протокол от 01.01.2001 г.);

Кафедра информатики Учреждения образования «Минский государственный высший радиотехнический колледж» (протокол от 01.01.2001 г.)

Рекомендована к утверждению в качестве типовой:

Кафедрой радиоэлектронных средств Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники» (протокол № 12 от 01.01.2001 г., протокол от 01.01.2001 г.);

Научно-методическим советом по группе специальностей IКонструкции радиоэлектронных средств УМО вузов Республики Беларусь по образованию в области информатики и радиоэлектроники (протокол №1 от 01.01.2001 г.)

Разработана на основании Образовательного стандарта РД РБ 02100.5.105-98.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Типовая программа «Проектирование интегральных микросхем» разработана в соответствии с Образовательным стандартом РД РБ 02100.5.105.-98 для специальностей IМоделирование и компьютерное проектирование радиоэлектронных средств, IПроектирование и производство радиоэлектронных средств высших учебных заведений. Она предусматривает изучение вопросов проектирования и производства интегральных микросхем (ИМС) различного конструктивно-технологического исполнения и функционального назначения, предназначенных для создания на их базе современных радиоэлектронных средств (РЭС). Целью изучения дисциплины является приобретение знаний и навыков в области проектирования, производства и применения ИМС.

В результате освоения дисц. «Проектирование интегральных микросхем» студент должен:

знать:

- принципы проектирования ИМС и методики конструктивного расчета элементов и фрагментов ИМС широкого функционального назначения;

- принципы, методы и средства реализации технологических процессов и маршрутов производства ИМС;

- взаимосвязь функциональных, конструктивных и технологических параметров ИМС;

- основы контроля электрических характеристик элементов ИМС;

-основы обеспечения работоспособности ИМС при воздействии внешних дестабилизирующих факторов;

-основные критерии качества ИМС и их взаимосвязь с конструктивно-технологическими параметрами;

- основные требования к оформлению конструкторской и технологической документации на производство ИМС;

- перспективы совершенствования ИМС как элементной базы радиоэлектронных средств;

уметь характеризовать:

- достоинства и недостатки различных вариантов конструктивного исполнения элементов и ИМС в целом, а также технологических операций и маршрутов их изготовления;

уметь анализировать:

- техническое задание на проектирование ИМС и грамотно определять ее конструктивно-технологическое исполнение;

- результаты исследований и моделирования характеристик ИМС;

приобрести навыки:

- компьютерного проектирования элементов, технологии и электрических характеристик ИМС;

- измерения электрических характеристик и определения параметров электрических моделей элементов ИМС;

-  разработки конструкторской и технологической документации на производство ИМС.

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Введение

Преимущества современных РЭС на основе ИМС по сравнению с РЭС предшествующих поколений по основным критериям качества ( надежность, ремонтопригодность, энергопотребление, габаритные размеры, вес и т. д. ). Области применения ИМС. Достижения микроэлектроники.

Терминология (интегральная микросхема и технология, степень интеграции, подложка, плата, кристалл, элемент и компонент).

Классификация ИМС по конструктивно-технологическим признакам. Полупроводниковые (биполярные и МДП) ИМС и гибридные (тонкопленочные и толстопленочные) ГИМС. Сравнение и выбор оптимального конструктивно-технологического варианта ИМС по критериям: функциональное назначение, обеспечение электрических характеристик (частотные характеристики), рассеиваемая мощность, надежность и экономическая рентабельность.

Раздел 1. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИМС

Тема 1.1. МАТЕРИАЛЫ

Материалы полупроводниковых пластин (кремний и арсенид галлия), их основные электрофизические характеристики. Типы полупроводниковых пластин и их обозначение.

Тема 1.2. ЭПИТАКСИЯ

Физика процесса. Назначение. Основные методы и техника проведения (оборудование, технологические режимы, химические реакции, поли - и монокристаллический кремний). Легирующие примеси и типы электропроводности. Диффузанты. Распределение легирующих примесей по толщине (профиль легирования). Толщина и удельное сопротивление эпитаксиальных слоев, методы их контроля. Достоинства и недостатки процесса.

Тема 1.3. ФОРМИРОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК

Использование диэлектрических пленок в технологии и конструкции полупроводниковых ИМС (пассивирующие, изолирующие, маскирующие и требования к их параметрам). Нитридные и оксидные пленки кремния. Термическое окисление кремния (способы, техника проведения, характеристики пленок, достоинства и недостатки). Химическое осаждение диэлектрических пленок (способы, техника проведения, достоинства и недостатки).

Тема 1.4. ДИФФУЗИОННОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ

Физика процесса. Назначение. Диффузанты (агрегатное состояние, достоинства и недостатки). Оборудование (устройство диффузионной печи). Способы диффузии («загонка» и «разгонка»), технологические режимы (температура и время) и профили легирования. Достоинства двухстадийной диффузии (воспроизводимость параметров и маскирование). Достоинства и недостатки диффузионного легирования.

Тема 1.5. ИОННОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ

Назначение. Ионная имплантация (ИИ). Физика процесса. Устройство и принцип действия установки ИИ. Источники ионов. Маскирующие пленки. Доза и энергия ИИ и их влияние на профиль легирования. Послеимплантационный отжиг. Достоинства и недостатки ионного легирования.

Тема 1.6. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАРШРУТЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИПОЛЯРНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИМС

Методы изоляции элементов и технологические маршруты (пооперационный техпроцесс) изготовления полупроводниковых биполярных ИМС: с разделительной диффузией, с диэлектрической изоляцией (эпик-процесс и кремний на сапфире), с комбинированной изоляцией (изопланар). Сравнение техпроцессов по критериям: сложность и процент выхода годных, степень интеграции (размеры элементов), качество изоляции (токи утечки и паразитные емкости).

Тема 1.7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАРШРУТЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МДП ИМС

Технологические маршруты изготовления МДП ИМС: с алюминиевым затвором и с поликремниевым затвором (сравнение по размерам элементов и паразитным емкостям), К-МДП ИМС.

Раздел 2. ТЕХНОЛОГИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ИМС

Тема 2.1. МАТЕРИАЛЫ

Назначение тонких пленок в полупроводниковых и гибридных ИМС. Материалы подложек. Материалы тонких пленок (резистивные, проводящие, диэлектрические). Удельное сопротивление квадрата резистивной и удельная емкость диэлектрической пленок. Адгезия пленок.

Тема 2.2. НАПЫЛЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК В ВАКУУМЕ

Назначение вакуума. Степени вакуума. Средства откачки вакуума (форвакуумный механический и паромасляный диффузионный насосы, принципы работы и достижимые степени вакуума). Средства контроля вакуума (ионизационный и термопарный манометры, принципы работы). Методы напыления тонких пленок в вакууме: термическое испарение, катодное и ионно-плазменное распыление (способы испарения и распыления материалов, устройство вакуумной камеры и техника процессов в ней). Реактивное распыление (техника процесса). Достоинства и недостатки методов (возможность напыления тугоплавких и диэлектрических пленок, чистота и адгезия пленок, степени вакуума).

Тема 2.3. МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ КОНФИГУРАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ИМС

Фотолитография. Фоторезисты (типы, основные характеристики). Фотошаблоны (техника изготовления, метки совмещения, способы экспонирования). Разрешающая способность фотолитографии (эффекты, ее ограничивающие). Техника проведения процесса (последовательность операций, оборудование, технологические режимы, материалы). Рентгенолитография (физика процесса, техника проведения, достоинства и недостатки процесса). Электронолитография (физика процесса, техника проведения, достоинства и недостатки процесса).

Тема 2.4. ТЕХПРОЦЕСС ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНОЙ ИМС

Технологические маршруты изготовления тонкопленочных ИМС, содержащих резисторы и конденсаторы, с использованием фотолитографии.

Раздел 3. ТЕХНОЛОГИЯ ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫХ ИМС

Толстые пленки. Назначение. Достоинства и недостатки толстых пленок в сравнении с тонкими. (рассеиваемая мощность, стабильность, диапазон и точность воспроизведения электрических характеристик элементов). Подложки. Материалы толстых пленок (виды, маркировка и состав паст). Трафареты (назначение, изготовление). Технологический маршрут изготовления толстопленочной ИМС (техника трафаретной печати, последовательность нанесения и температура выжигания паст).

Раздел 4. ТЕХНОЛОГИЯ СБОРОЧНЫХ ОПЕРАЦИЙ

Тема 4.1. СВАРНЫЕ И ПАЯНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Термокомпрессионная и ультразвуковая сварки при сборке ИМС (назначение, техника процессов, используемые материалы). Пайка выводов компонентов (припои, качество паяного соединения, металлизация контактных площадок).

Тема 4.2. МОНТАЖНЫЕ ОПЕРАЦИИ

Разрезание подложек на платы и пластин на кристаллы (скрайбирование). Методы монтажа компонентов и кристаллов («чипов») на плате ГИМС (крепление к плате, присоединение выводов к контактным площадкам). Монтаж платы ГИМС и кристалла полупроводниковой ИМС.

Тема 4.3. ГЕРМЕТИЗАЦИЯ ИМС

Методы герметизации ИМС (заливка компаундом, герметизация в корпусе). Типы корпусов (металлостеклянные, металлокерамические и пластмассовые) и герметизация ИМС в них.

Раздел 5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИМС

Тема 5.1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Биполярные ИМС. Структура, топология и профиль легирования интегрального биполярного n-p-n–транзистора. Электрофизические характеристики областей (концентрация и подвижность носителей заряда, удельное сопротивление) и p-n–переходов (ширина обедненного слоя и потенциальный барьер); их связь с профилем легирования. Основные электрические характеристики (коэффициент усиления, граничная частота и напряжение пробоя) и их связь с топологией и профилем легирования биполярного транзистора. Интегральный латеральный p-n-p биполярный транзистор (структура и топология). Сравнение по электрическим характеристикам с n-p-n – транзистором.

Тема 5.2. РЕЗИСТОРЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИМС

Конструкции (структура и топология) и их сравнительный анализ (обеспечиваемое сопротивление и его погрешность). Конструктивный расчет.

Тема 5.3. КОНДЕНСАТОРЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИМС

Конденсаторы на основе р-n – перехода. Конструкции (структура и топология) и их сравнительный анализ (обеспечиваемые емкости, погрешности и рабочие напряжения). Конструктивный расчет. МДП-конденсаторы. Конструктивный расчет.

Тема 5.4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Полевые транзисторы с затвором на основе p-n – перехода и барьера Шоттки. Конструкция (структура и топология). Основные электрические характеристики (напряжение отсечки и крутизна) и их взаимосвязь с топологией и профилем легирования. Полевые транзисторы типа МДП. Конструкции (структура и топология) МДП-транзисторов с индуцированным и встроенным, p - и n-каналами. Основные электрические характеристики (пороговое напряжение и крутизна) и их связь с топологией и параметрами структуры (толщиной диэлектрика и степенью легирования подложки).

Раздел 6. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ПЛЕНОЧНЫХ ИМС

Тема 6.1. РЕЗИСТОРЫ ПЛЕНОЧНЫХ ГИМС

Конструкции (топология) резисторов простой и сложной формы, их достоинства и недостатки. Связь конструкции и технологии изготовления. Подгоняемые резисторы (необходимость изготовления, топология и способ подгонки). Конструктивный расчет.

Тема 6.2. КОНДЕНСАТОРЫ ПЛЕНОЧНЫХ ГИМС

Конструкции (топология). Связь конструкции и технологии изготовления. Конструктивный расчет.

Раздел 7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ИМС

Тема 7.1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТОПОЛОГИИ ИМС

Коммутационная схема (схема расположения). Технические требования и технологические ограничения (минимальные размеры и расстояния между элементами, метки совмещения) при разработке топологии.

Паразитные емкости. Оценка их влияния на работоспособность ИМС. Расчет и способы их уменьшения.

Тема 7.2. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ ИМС

Оценка теплового режима и его связь с конструкцией ИМС (способом герметизации).

Расчет надежности ИМС и ее связь с условиями эксплуатации (электрическая нагрузка, внешние воздействия).

Раздел 8. СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИМС

Тема 8.1. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИОДОВ

Математические модели и эквивалентные схемы диодов. Малосигнальная, шумовая и температурная модели диода. Параметры математических моделей диодов и методики их экспериментального определения.

Тема 8.2. МОДЕЛИРОВАНИЕ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Математические модели и эквивалентные схемы биполярного транзистора для разных режимов работы и функционального назначения ИМС. Математическая модель биполярного транзистора для режима большого сигнала. Малосигнальная, шумовая и температурная модели биполярного транзистора. Параметры математических моделей биполярного транзистора и методики их экспериментального определения.

Тема 8.3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Математическая модель полевого транзистора с управляющим р-n – переходом (ПТУП). Модели большого и малого сигналов. Шумовая и температурная модели. Параметры математической модели ПТУП и методики их экспериментального определения. Математические модели МДП- транзистора. Модели большого и малого сигналов, первого, второго и третьего уровней. Шумовая и температурная модели. Параметры математической модели МДП-транзистора и методики их экспериментального определения.

Тема 8.4. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО

ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Программа SPICE. Правила составления входного файла. Описание схемных элементов. Режимы моделирования. Директивы входного файла.

Раздел 9. НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ИМС

Тема 9.1. БИПОЛЯРНО –ПОЛЕВЫЕ ИМС

Однокристальные биполярно-полевые ИМС. Достоинства. Конструктивно-технологические особенности. Фукционально-интегрированные биполярно-полевые элементы.

Тема 9.2. ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ИМС (ПЛИМС)

Достоинства. Область применения. Конструктивно-технологические особенности. Основы проектирования ИМС на основе ПЛИМСов.

1. Исследование процессов диффузионного легирования и термического окисления.

2. Исследование процесса ионного легирования.

3. Исследование взаимосвязи конструктивно-технологических и электрических параметров биполярного транзистора.

4. Исследование взаимосвязи конструктивно-технологических и электрических параметров полевых транзисторов.

5. Температурные исследования параметров элементов полупроводниковых ИС.

6. Исследование тонкопленочных резисторов сложной формы.

7. Изучение конструкций гибридных ИМС.

8. Проектирование топологии ИМС.

9. Схемотехническое проектирование ИМС.

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ КУРСОВЫХ РАБОТ

1. Разработка конструкции и технологии изготовления ИМС усилителя низкой частоты.

2. Разработка конструкции и технологии изготовления ИМС логического элемента.

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ КОМПЬЮТЕРНЫХ ПРОГРАММ

1.  Моделирование диффузионного легирования и термического окисления.

2.  Моделирование ионного легирования.

3.  Моделирование биполярного транзистора.

4.  Моделирование полевого транзистора с управляющим р-n – переходом.

5.  Моделирование МДП-транзистора.

6.  Программа SPICE.

ЛИТЕРАТУРА

ОСНОВНАЯ

1. Коледов и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок: Учебник для вузов. - М.: Радио и связь, 1989.

2. Черняев производства интегральных микросхем и микропроцессоров: Учебник для вузов. 2-изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1987.

3. Матсон и технология микросхем: Учеб. пособие. - Мн.: Выш. шк., 1985.

4. Конструирование и технология микросхем. Курсовое проектирование: Учеб. пособие для вузов/ и др.; Под ред. . - М.: Высш. шк., 1984.

5. , Крыжановский пособие по конструированию микросхем. – Мн.: Выш. шк., 1982.

6. Микроэлектроника: Учеб. пособие для втузов. В 9 кн./Под ред. . Кн. 5: Качество и надежность интегральных микросхем/ . - М.: Высш. шк., 1987.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ

1. Теория и применение новых транзисторов. – Л.: Энергия, 1975.

2. Кремниевые и планарные транзисторы / Под ред. . - М.: Сов. радио, 1973.

3. , Мочалкина и конструирование ИМС: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1992.

4. Парфенов микросхем: Учеб. пособие для вузов. – Высш. шк., 1986.

5. Пономарев и расчет микросхем и микроэлементы ЭВА: Учебник для вузов. - М.: Радио и связь, 1982.

6. Программа и методические указания к курсовому проектированию по курсу «Проектирование и производство интегральных микросхем»/, , . - Мн.: БГУИР, 1998.