544

2

УДК 621.316.544.1

Технология производства микроконтроллеров : методические указания по самостоятельной работе для направления подготовки бакалавра 15.03.04 – «Автоматизация технологических процессов и производств» для очной и заочной форм обучения / А. В. Стариков; М-во науки и высшего образования РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2019. – 10 с.

Печатается по решению редакционно-издательского совета ВГЛТУ

Рецензент: заведующий кафедрой электротехники и автоматики ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I», доктор технических наук, профессор Афоничев Д.Н.

3

Введение

Учебный план образовательной программы по направлению подготовки бакалавра 15.03.04 – «Автоматизация технологических процессов и производств» включает изучение дисциплины «Технология производства микроконтроллеров» в течение 8-го семестра в объеме 144 часов, из которых 20 часов отводится для лекционных занятий, 30 часов для лабораторных работ, 94 часа для самостоятельной работы студентов. Форма контроля дифференцированный зачет (зачет с оценкой).

Рабочая программа дисциплины определяет в качестве основной цели формирование у студентов знаний о современных технологических процессах, используемых в производстве сложных полупроводниковых приборов и интегральных схем, микроконтроллеров и микросборок.

Для достижения данной цели в ходе изучения дисциплины решаются следующие задачи:

изучение и освоение принципов проектирования технологических маршрутов изготовления основных типов приборов и интегральных микросхем;

получение знаний об особенностях устройства и применения современного автоматизированного технологического оборудования;

приобретение навыков выбора и разработки средств автоматизации процессов изготовления микроконтроллеров.

1 Содержание учебной дисциплины

В соответствии с рабочей программой освоение дисциплины «Технология производства микроконтроллеров» предусматривает изучение следующих разделов (тем) и вопросов, входящих в их состав:

Раздел 1. ВВЕДЕНИЕ. МЕТОДЫ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ (ИС)

Предмет дисциплины и её задачи. Классификация полупроводниковых приборов и интегральных микросхем по функциональным, структурным и кон- структивно-технологическим признакам. Элементы полупроводниковых ИС. Методы изоляции элементов и их конструктивные особенности. Пути снижения минимальных размеров элементов.

Раздел 2. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ И СТРУКТУР МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ

Конструктивно-технологические особенности и исходные данные для расчета. Расчет и построение профилей распределения примеси в полупроводниковых структурах. Расчет токов через p-n- переход, связанных с инжекцией и экстракцией носителей заряда. Особенности топологии диодов полупроводниковых ИМС Расчет постоянных составляющих токов эмиттера и коллектора. Расчет основных статических параметров транзистора. Особенности расчета структур планарных транзисторов. Конструктивный расчет топологии транзистора. Конструкции полупроводниковых резисторов. Расчет объемного и поверхностного удельного сопротивления. Расчет параметров резисторов. Темпе-

4

ратурный коэффициент сопротивления. Частотный диапазон полупроводниковых резисторов. Конструкции полупроводниковых конденсаторов. Эквивалентные схемы. Расчет полупроводниковых конденсаторов.

Раздел 3. РАСЧЕТ СТРУКТУР МДП-ИМС Схемотехнические и конструктивно-технологические особенности уни-

полярных транзисторов. Расчет крутой и пологой частей статических характеристик полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором (МДП-транзисторов). Расчет малосигнальных параметров полевых транзисторов. Расчет крутизны характеристики МДП-транзистора. Расчет сопротивления канала в открытом состоянии транзистора и активной составляющей выходной проводимости. Расчет емкостей полевого транзистора и его частотные свойства. Конструктивный расчет топологии транзистора. Паразитные МДП-структуры и конструирование охранных колец.

Раздел 4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИМС Основные элементы конструкции полупроводниковых приборов и ИМС.

Этапы проектирования ИМС. Особенности конструкции полупроводниковых приборов. Полупроводниковые приборы в качестве компонентов гибридных ИМС. Конструкции и свойства бескорпусных полупроводниковых приборов. Особенности проектирования ИМС. Функциональное, схемотехническое и топологическое проектирование ИМС. Функционально-интегрированные структуры. Критерии оценки качества конструкции. Паразитные эффекты в конструкциях полупроводниковых ИМС. Особенности конструкции БИС и СБИС. Конструктивно-технологические требования и ограничения на полупроводниковые ИС. Конструкторская документация на полупроводниковые приборы и ИМС. Стандартизация и конструкции корпусов ИМС.

Раздел 5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГИБРИДНЫХ ИС (ГИС)

Конструкции элементов гибридных интегральных схем (ГИС). Этапы проектирования ГИС. Расчет пленочных резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности. Функциональный и интегрально-групповой принципы компоновки ГИС. Методы подгонки резисторов ГИС. Паразитные связи и помехи в ГИС. Конструктивно-технологические требования и ограничения на ГИС.

Назначение лекционных занятий по дисциплине «Технология производства микроконтроллеров» получение теоретических знаний студентами по важнейшим разделам дисциплины, а также формирование общего представления по обзорным темам (вопросам) дисциплины.

Помимо лекционных занятий, обязательным элементом изучения дисциплины «Технология производства микроконтроллеров» является прохождение студентом лабораторного практикума. Согласно Положению о сдаче экзаменов и зачётов в ФГБОУ ВО ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова студент, не выполнивший лабораторный практикум, не допускается к сдаче экзамена или зачёта.

В соответствии с рабочей программой дисциплины «Технология производства микроконтроллеров» предусматривается следующая тематика лабораторных работ (в скобках указано нормативное количество времени, отводимое на выполнение и защиту лабораторной работы):

5

1.Исследование типов интегральных микросхем и их конструктивнотехнологических параметров (6 часов).

2.Исследование технологических процессов изготовления тонкопленочных гибридных интегральных микросхем (ГИМС) (6 часов).

3.Анализ топологии интегральной микросхемы (6 часов).

4.Исследование точности изготовления пленочных конденсаторов (6 часов).

5.Планарно-эпитаксиальная технология (6 часов).

Каждая работа лабораторного практикума предполагает выполнение практической части с использованием учебно-лабораторного оборудования, подготовку письменного отчёта о выполненной лабораторной работе и его защиту. Требования к оформлению отчёта обычно излагаются в методических указаниях к лабораторным работам. При защите отчёта студент должен продемонстрировать знание необходимого теоретического минимума по теме лабораторной работы, аргументировано ответить на вопросы преподавателя, касающиеся практической части работы.

В соответствии с учебным планом на самостоятельную работу студента предусматривается более трети от общего времени, отводимого на изучение дисциплины. При этом одну часть времени, планируемого для самостоятельной работы, предполагается использовать для самостоятельного изучения отдельных вопросов лекционного курса, другую для доработки отчётов о выполненных лабораторных работах и подготовки к их защите.

2 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы

При осуществлении самостоятельной работы студент должен руководствоваться указаниями преподавателя, данными методическими указаниями, методическими указаниями к лабораторным работам, методическими указаниями к выполнению курсовой работы, материалами конспекта лекций, рекомендованной основной и дополнительной учебной литературой, включая электронные источники информации.

Ниже приведен перечень основной и дополнительной литературы, имеющейся в учебной библиотеке ВГЛТУ, а также представленной в открытом доступе в электронных библиотечных системах (ЭБС): Знаниум, Единое окно доступа к образовательным ресурсам и другие.

Основная литература

1. Величко, А.А. Методы исследования микроэлектронных и наноэлектронных материалов и структур [Электронный ресурс] : учеб. пособие / А. А. Величко, Н. И. Филимонова. Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2014. 227 с. ЭБС

«Знаниум». Режим доступа: http://znanium.com/bookread2.php?book=546528.

Загл. с экрана.

Дополнительная литература

1. Электроника интегральных схем. Лабораторные работы и упражнения [Электронный ресурс] : учеб. пособие / К. Ю. Петросянц, П. А. Козыренко, Н. И. Рябов и др.; под ред. К. О. Петросянца. М. : СОЛОН-Пресс, 2012. 520 с.

6

ЭБС «Знаниум». Режим доступа: http://znanium.com/bookread2.php?book =892456. Загл. с экрана.

2. Левицкий, А. А. Проектирование микросхем. Программные средства обеспечения САПР [Электронный ресурс] : учеб. пособие / А. А. Левицкий, П. С. Маринушкин. Красноярск : Сиб. Фед. ун-т, 2010. 156 с. ЭБС «Знани-

ум». Режим доступа: http://znanium.com/bookread2.php?book=442124. Загл. с

экрана.

3.Шелохвостов, В.П. Проектирование интегральных микросхем: учебное пособие / В. П. Шелохвостов, В. Н. Чернышов. 2-е изд., стер. Тамбов: Издво Тамб. гос. техн. ун-та, 2008. 208 с. ЭБС «Единое окно доступа к образовательным ресурсам».

4.Томилин, В. И. Технология производства электронных средств : орга- низационно-методическое обеспечение курсового проектирования по дисциплине [Электронный ресурс] : учеб. пособие / И. И. Томилин, Н. П. Томилина, Н.

А. Алексеева. Красноярск : Сиб. Фед. ун-т, 2012. 120 с. ЭБС «Знаниум».

Режим доступа: http://znanium.com/bookread2.php?book=492806. Загл. с экра-

на.

5. Технология материалов и изделий электронной техники: Лабораторный практикум / Г.Д. Кротова, В.Ю. Дубровин, В.А. Титов, Т.Г. Шикова; ГОУ ВПО Иван. гос. хим.-технол. ун-т. Иваново, 2007. 156 с. ЭБС «Единое окно доступа к образовательным ресурсам».

6. Стариков, А.В. Технология производства микроконтроллеров : методические указания к лабораторным работам для направления подготовки бакалавра 15.03.04 – «Автоматизация технологических процессов и производств» для очной и заочной форм обучения / А.В. Стариков; М-во науки и высшего образования РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2019. – 36 с.

Для качественного освоения дисциплины потребуются следующие ресурсы информационно-телекоммуникационной сети «Интернет»:

ЭБС «Знаниум»: http://www.znanium.com;

ЭБС «Единое окно доступа к образовательным ресурсам»: http://window.edu.ru/;

сайт с обширной подборкой научной, учебной и учебно-методической литературы, представленной в виде библиотеки открытых электронных

источников: http://www.twirpx.com.

Поскольку лекции читаются не в полном объёме дисциплины, то студентам на самостоятельное изучение выносится ряд тем (табл. 1). Преподаватель сообщает студентам их общее содержание и организует контроль знаний по заявленным темам.

7

Проверка качества освоения разделов (тем) дисциплины осуществляется посредством текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации студентов. Результаты текущего контроля отражаются в баллах модульнорейтинговой системы оценки знаний.

После завершения лекционного курса и выполнения лабораторного практикума студент допускается к сдаче зачета по дисциплине «Технология производства микроконтроллеров». Перечень вопросов для подготовки к сдаче дифференцированного зачета приведен ниже.

3.Вопросы выходного контроля (дифференцированного зачета)

1.Предмет дисциплины и её задачи.

2.Классификация полупроводниковых приборов и интегральных микросхем по функциональным, структурным и конструктивнотехнологическим признакам.

3.Элементы полупроводниковых ИС.

4.Методы изоляции элементов и их конструктивные особенности.

5.Пути снижения минимальных размеров элементов.

6.Конструктивно-технологические особенности и исходные данные для расчета.

7.Расчет и построение профилей распределения примеси в полупроводниковых структурах.

8.Расчет токов через p-n-переход, связанных с инжекцией и экстракцией носителей заряда.

9.Особенности топологии диодов полупроводниковых ИМС.

10.Расчет постоянных составляющих токов эмиттера и коллектора.

11.Расчет основных статических параметров транзистора.

12.Особенности расчета структур планарных транзисторов.

13.Конструктивный расчет топологии транзистора.

14.Конструкции полупроводниковых резисторов.

15.Расчет объемного и поверхностного удельного сопротивления.

16.Расчет параметров резисторов.

8

17.Температурный коэффициент сопротивления.

18.Частотный диапазон полупроводниковых резисторов.

19.Конструкции полупроводниковых конденсаторов. Эквивалентные схемы.

20.Расчет полупроводниковых конденсаторов.

21.Схемотехнические и конструктивно-технологические особенности униполярных транзисторов.

22.Расчет крутой и пологой частей статических характеристик полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором (МДП-транзисторов).

23.Расчет малосигнальных параметров полевых транзисторов.

24.Расчет крутизны характеристики МДП-транзистора.

25.Расчет сопротивления канала в открытом состоянии транзистора и активной составляющей выходной проводимости.

26.Расчет емкостей полевого транзистора и его частотные свойства.

27.Конструктивный расчет топологии транзистора.

28.Паразитные МДП-структуры и конструирование охранных колец.

29.Основные элементы конструкции полупроводниковых приборов и ИМС.

30.Этапы проектирования ИМС.

31.Особенности конструкции полупроводниковых приборов.

32.Полупроводниковые приборы в качестве компонентов гибридных ИМС.

33.Конструкции и свойства бескорпусных полупроводниковых приборов.

34.Особенности проектирования ИМС.

35.Функциональное, схемотехническое и топологическое проектирование ИМС.

36.Функционально-интегрированные структуры.

37.Критерии оценки качества конструкции.

38.Паразитные эффекты в конструкциях полупроводниковых ИМС.

39.Особенности конструкции БИС и СБИС.

40.Конструктивно-технологические требования и ограничения на полупроводниковые ИС.

41.Конструкторская документация на полупроводниковые приборы и ИМС.

42.Стандартизация и конструкции корпусов ИМС.

43.Конструкции элементов гибридных интегральных схем (ГИС).

44.Этапы проектирования ГИС.

45.Расчет пленочных резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности.

46.Функциональный и интегрально-групповой принципы компоновки ГИС.

47.Методы подгонки резисторов ГИС.

48.Паразитные связи и помехи в ГИС.

49.Конструктивно-технологические требования и ограничения на ГИС.

9

Стариков Александр Вениаминович

Технология производства автоматизации и управления

Методические указания для самостоятельной работы по направлению подготовки бакалавра 15.03.04 – «Автоматизация технологических процессов и производств»

для очной формы обучения

Редактор С.Ю. Крохотина

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»