Разработка топологии ИМС

5 Разработка топологии ИМС

5.1 Разработка библиотеки элементов

Разработку топологии проектируемой ИМС проведем с помощью программы проектирования топологии ПАРОМ. В качестве исходной информации при проектировании используем фотографию кристалла ИМС TDA16846 и проектные нормы на разработку топологии.

На первом этапе проектирования на исходном кристалле TDA16846 произведем замеры геометрических размеров всех областей образующих те или иные элементы. Используя полученные сведения о размерах и конфигурации элементов приступаем к разработке библиотеки элементов. Библиотека представляет собой набор файлов формата программы ПАРОМ. Каждый файл содержит топологию отдельного элемента. В файл топологии ИМС элементы вызываются из соответствующих файлов библиотеки.

Приведем разработаннкю библиотеку элементов. На примере n-p-n транзистора (рисунок 5.1) покажем обозначение слоев всех транзисторов данного типа имеющихся в библиотеке (на специфичных элементах внесены соответствующие дополнения). Также на примере этого трранзистора покажем обозначение размеров элементов.

К - коллектор;

Б – база;

Э – эмиттер.

Рисунок 5.1 – Обозначение слоев и размеров у n-p-n транзисторов библиотеки

В разработанную библиотеку не включены во первых конденсаторы так как их количество мало, все они имеют различную емкость а следовательно различную конфигурацию. Во вторых не включены резисторы, так как конфигурация каждого из них индивидуальна. Необходимо также отметить что конфигурация конденсаторов и резисторов неизбежно не однозначна и меняется в процессе разработки топологии.

Итак, разработана библиотека элементов, теперь используя разработанную библиотеку приступим к следующему этапу – компоновке элементов и блоков.

5.2 Компоновка элементов и блоков

Перед тем как приступать к компоновке элементов рассмотрим основные правила проектирования топологии ИМС.

Главное требование при разработке топологии - максимальная плотность упаковки элементов при минимальном количестве пересечений межэлементных соединений. При этом обеспечивается оптимальное использование площади кристалла при выполнении всех конструктивных и технологических требований и ограничений.

При разработке топологии ИМС необходимо придерживаться следующих основных правил проектирования топологии полупроводниковых ИМС с изоляцией p-n-переходом [5]:

1) Для учета влияния диффузии примеси под маскирующий окисел, растравливания окисла, ошибок фотолитографии при составлении топологической схемы все элементы схем, кроме контактных площадок, рекомендуется размещать на расстоянии от щели под разделительную диффузию, равном удвоенной толщине эпитаксиального слоя.

2) К изолирующим p-n-переходам всегда должно быть приложено напряжение обратного смещения, что практически осуществляется подсоединением подложки p-типа, или области разделительной диффузии p-типа, к точке схемы с наиболее отрицательным потенциалом.

3) При размещении элементов микросхем и выполнении зазоров между ними необходимо строго выполнять ограничения, соответствующие типовому технологическому процессу.

4) Резисторы, формируемые на основе базового диффузионного слоя, можно располагать в одной изолированной области, которая подключается к самому положительному потенциалу схемы.

5) Резисторы на основе эмиттерного и резисторного слоев следует располагать в отдельных изолированных областях.

6) Реальная форма резисторов, кроме ширины полоски, не является критичной. Резисторы могут быть прямыми, изогнутыми или иметь любую другую форму, однако во всех случаях отношение длины резистора к его ширине должно быть согласовано с удельным сопротивлением исходного диффузионного слоя и обеспечено получением заданного номинала. Высокоомные резисторы следует выполнять в виде параллельных полосок с перемычками между ними. Номинальное сопротивление резистора в этом случае будет выдержано более точно, чем при изогнутом резисторе.

7) Для уменьшения мест локального нагрева резисторы с большой рассеиваемой мощностью не следует располагать вблизи активных элементов, а рекомендуется выносить их на край кристалла.

8) Резисторы, у которых нужно точно выдержать отношение номиналов, должны иметь одинаковую ширину и конфигурацию и располагаться рядом друг с другом. Это правило относится и к другим элементам микросхем, для которых требуется обеспечить согласование характеристик, т.е. их топологии должны быть одинаковы, а взаимное расположение - как можно более близким.

9) Любой диффузионный резистор может пересекаться проводящей дорожкой, так как проведение металлического проводника по слою двуокиси кремния, покрывающего резистор, не оказывает существенного вредного влияния.

10) Форма и место расположения конденсаторов не является критичными.

11) Для диффузионных конденсаторов требуются отдельные изолированные области. Исключение составляют случаи, когда один из выводов конденсатора является общим с другой изолированной областью.

12) Транзисторы n-p-n-типа, работающие в режиме эмиттерного повторителя, можно размещать в одной изолированной области вместе с резисторами.

13) Все коллекторные области n-типа, имеющие различные потенциалы, должны быть изолированы.

14) Для каждого диода, формируемого на основе перехода коллектор-база, должна быть предусмотрена отдельная изолированная область. Диоды, формируемые на основе перехода эмиттер-база, можно размещать в одной изолированной области.

15) Для улучшения развязки между коллекторными изолированными областями контакт к подложке рекомендуется выполнять в непосредственной близости от мощного транзистора.

16) Для диффузионных областей требуются отдельные изолированные области.

17) Для уменьшения паразитной емкости между контактными площадками и подложкой под каждой из них рекомендуется создавать изолированную область. В этом случае емкость между контактной площадкой и подложкой оказывается включенной последовательно с емкостью изолирующего перехода и, следовательно, результирующая паразитная емкость уменьшается.

18) Соединения, используемые для ввода питания и заземления, следует выполнять в виде коротких широких полосок, что обеспечивает уменьшение паразитных сопротивлений.

19) Число внешних выводов в схеме, а также порядок расположения и обозначения контактных площадок выводов микросхем на кристалле должны соответствовать выводам корпуса.

20) Коммутация элементов микросхем должна иметь минимальное количество пересечений. Если полностью избежать пересечений не удается, их можно осуществить, используя обкладки конденсаторов, формируя дополнительные контакты к коллекторным областям транзисторов, применяя диффузионные перемычки и создавая дополнительные слои изоляции между пересекающимися проводниками. При разработке топологической схемы необходимо стремиться к получению минимально возможной длины межэлектродных соединений.

21) Расстояние между диффузионной базовой областью и контактом коллектора может быть увеличено, чтобы провести одну или две металлические дорожки между контактами коллектора и базы. Это можно сделать, так как коллекторный ток главным образом протекает от базы через скрытый слой к коллекторному контакту. Металлический проводник не может быть размещен между контактами базы и эмиттера за счет удлинения базового слоя.

22) Наиболее важным правилом при разработке топологии является минимизация площади, занимаемой микросхемой. Это позволяет увеличить число микросхем, изготовляемых на пластине. Кроме того, необходимо учесть, что вероятность случайных дефектов в полупроводниковом кристалле возрастает с увеличением площади. Размеры микросхем зависят от числа изолирующих областей и их площади, а также от суммарной площади соединительной металлизации, включая площадь, занимаемую контактными площадками.

Осуществим первоначальную компоновку блоков ИМС, для чего разметим площадь кристалла. Разметку проведем в соответствии с правилами проектирования топологии (рисунок 5.8).

Рисунок 5.8 – Компоновка блоков ИМС на площади кристалла (обозначение блоков соответствует обозначениям на структурной схеме – приложение А).

 Однако разметка является весьма условной и будет уточнена при компоновке элементов ИМС. Компоновку элементов также проводим в соответствии с правилами проектирования топологии.

Трассировку межэлементных соединений в разрабатываемой ИМС проводим посредством двухслойной металлизации. Толщины металла и изолирующего диэлектрика приведены в таблице 4.1

Разработанная топология ИМС приведена в приложение Г.

Целью данного дипломного проекта является проектирование ИМС для управления импульсным источником питания.

Так как дипломный проект носит характер научной разработки, то в организационно - экономической части проведем анализ организации выполнения дипломного проекта и рассчитаем затраты на проектирование.

В процессе выполнения дипломного проекта определим рациональность организации своего труда. Для этого необходимо сопоставить запланированное время на проектирование ИМС и оформление дипломного проекта с фактически затраченным. На первом этапе составим план работы, определим исполнителей и рассчитаем плановую трудоемкость выполнения отдельных этапов работы, рассчитаем удельный вес каждого этапа в общем времени, отведенном на дипломное проектирование. А затем проведем аналогичные расчеты по фактическим данным. Результаты расчетов приведены в таблице 6.1 [5].

Таблица 6.1 – Трудоемкость работы

Из данной таблицы видно, что фактическая трудоемкость составила 536,5 человекочасов, что на 3,5 часа меньше запланированной.

Отклонения произошли на 2-м, 3-м и 7-м этапах. На обзор литературы по тематике проекта было потрачено времени значительно меньше, чем было запланировано, что объясняется малым количеством источников информации по настоящей теме дипломного проекта и возможностью получения информации из источников ИНТЕРНЕТ.

Больше времени потребовалось для проектирования ИМС ввиду отсутствия практики моделирования больших схем. Оформление дипломного проекта заняло немного меньше времени ввиду совершенствующихся навыков при работе с персональным компьютером.

Затраты, связанные с выполнением дипломного проекта, рассчитываются по смете, которая включает следующие статьи:

а) материалы (в том числе затраты на электроэнергию);

б) расходы на оплату труда;

в) единый социальный налог;

г) амортизационные отчисления;

д) прочие расходы.

Поочередно проведем расчет затрат по каждой статье.

Расчет затрат на материалы. В данном дипломном проекте производилось только проектирование ИМС, которое не предусматривает затрат каких - либо материалов. Поэтому в этом пункте рассчитаем только затраты на электроэнергию.

Стоимость расходов на электроэнергию вычисляется по формуле:

 , (6.1)

где W – потребляемая мощность оборудования, кВт;

C_ЭН – стоимость 1 кВт ·ч энергии (с учетом НДС), руб;

t – время работы оборудования, ч.

Расчет затрат на электроэнергию определяется исходя из мощности оборудования, времени его работы и стоимости 1 кВт·ч энергии. Для проведения моделирования ИМС и оформления дипломного проекта был использован компьютер Intel Celeron 1300 MHz.

Стоимость 1 кВт·ч энергии для данного дипломного проекта составляет

 (6.2)

Результаты расчета затрат на электроэнергию приведены в таблице 6.2.

Таблица 6.2 – Расчет затрат на электроэнергию

Затраты на электроэнергию составили 172,8 руб.

Итак затраты на материалы включают только затраты на электроэнергию и составляют 172,8 руб.

Расчет расходов на оплату труда. Непосредственное отношение к написанию дипломного проекта имеют студент-дипломник, руководитель на кафедре (к.т.н., доцент), консультант по экологичности и безопасности и консультант по организационно - экономической части.

Рассчитаем для каждого из них среднечасовую ставку по формуле:

 , (6.3)

где ЗП – заработная плата исполнителя за месяц (складывается из суммы оклада, должностных начислений и премий);

t – количество рабочих часов в месяц (примем t = 90 ч в месяц) [5].

Данные для расчета суммы расходов на оплату труда приведены в таблице 6.3.

Таблица 6.3 – Расходы на оплату труда

Расходы на оплату труда составили 3839,50 руб., из них наибольшие расходы на оплату труда составили: 2720,96 руб. – дипломнику.

Расчет единого социального налога. Сумма отчислений на социальные нужды рассчитывается как процент от расходов на оплату труда людей, занятых в работе над дипломным проектом. Результаты расчетов по единому социальному налогу приведены в таблице 6.4.

Таблица 6.4 – Отчисления на единый социальный налог

Отчисления на единый социальный налог составили 1366,86 руб., из них наибольшую часть составляют отчисления в Пенсионный фонд 1075,06 руб.

Расчет амортизационных отчислений. Сумма амортизационных отчислений рассчитывается по формуле:

А_АМ = C_М.Ч · t, (6.4)

где C_М.Ч – стоимость одного машино-часа работы оборудования, руб.;

t – время работы машин, установок и другого оборудования в процессе дипломного проектирования, ч.

Стоимость одного часа работы машин и оборудования рассчитывается по формуле:

 , (6.5)

где Ц – стоимость оборудования;

Т_ч.дн – количество рабочих часов в день;

Т_дн.г – количество рабочих дней в году (для расчетов примем 280 дней);

Т_сл – срок службы оборудования.

Результаты расчета сумм амортизационных отчислений для всего оборудования приведены в таблице 6.5.

Таблица 6.5 – Расчет сумм амортизационных отчислений

Сумма амортизационных отчислений составила 680 рублей.

Прочие расходы. В эту статью включаются расходы на канцелярские принадлежности, необходимые для оформления дипломного проекта (таблица 6.6).

Таблица 6.6– Расчет прочих расходов

Сумма прочих расходов составила 496,0 рублей.

Составим смету затрат на выполнение дипломного проекта, используя данные расчетов затрат по каждой статье. Результаты представлены в таблице 6.7.

Таблица 6.7 – Смета затрат

Общая сумма затрат на выполнение дипломного проекта составила 6555,16 руб. Наибольший удельный вес (58,57 %) в смете затрат занимают расходы на оплату труда, затем – расходы на единый социальный налог (20,85 %). Сумма затрат по данным статьям не может являться слишком высокой. Затраты на выполнение дипломного проекта можно считать обоснованными, так как затраты относительно низки, а разработанная микросхема отвечает требованиям современной бытовой техники, следовательно будет востребована потребителями.