本文從提高系統(tǒng)電磁兼容性出發(fā),結(jié)合混合集成電路工藝特點(diǎn),提出了在混合集成電路設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題和采取的具體措施?；旌霞呻娐?Hybrid Integrated Circuit)是由半導(dǎo)體集成工藝與厚(薄)膜工藝結(jié)合而制成的集成電路?；旌霞呻娐肥窃诨嫌贸赡し椒ㄖ谱骱衲せ?a target="_blank" style="text-decoration:none;" >薄膜元件及其互連線,并在同一基片上將分立的半導(dǎo)體芯片、單片集成電路或微型元件混合組裝,再外加封裝而成。具有組裝密度大、可靠性高、電性能好等特點(diǎn)。

電磁兼容原理

電磁兼容是指電子設(shè)備和電源在一定的電磁干擾環(huán)境下正?？煽抗ぷ鞯哪芰?同時(shí)也是電子設(shè)備和電源限制自身產(chǎn)生電磁干擾和避免干擾周圍其它電子設(shè)備的能力。

任何一個(gè)電磁干擾的發(fā)生必須具備三個(gè)基本條件:首先要具備干擾源,也就是產(chǎn)生有害電磁場(chǎng)的裝置或設(shè)備;其次是要具有傳播干擾的途徑,通常認(rèn)為有兩種方式:傳導(dǎo)耦合方式和輻射耦合方式,第三是要有易受干擾的敏感設(shè)備。

因此,解決電磁兼容性問(wèn)題應(yīng)針對(duì)電磁干擾的三要素,逐一進(jìn)行解決:減小干擾發(fā)生元件的干擾強(qiáng)度;切斷干擾的傳播途徑;降低系統(tǒng)對(duì)干擾的敏感程度。

混合集成電路設(shè)計(jì)中存在的電磁干擾有:傳導(dǎo)干擾、串音干擾以及輻射干擾。

在解決EMI問(wèn)題時(shí),首先應(yīng)確定發(fā)射源的耦合途徑是傳導(dǎo)的、輻射的,還是串音。如果一個(gè)高幅度的瞬變電流或快速上升的電壓出現(xiàn)在靠近載有信號(hào)的導(dǎo)體附近,電磁干擾的問(wèn)題主要是串音。如果干擾源和敏感器件之間有完整的電路連接,則是傳導(dǎo)干擾。而在兩根傳輸高頻信號(hào)的平行導(dǎo)線之間則會(huì)產(chǎn)生輻射干擾。

電磁兼容設(shè)計(jì)

在混合集成電路電磁兼容性設(shè)計(jì)時(shí)首先要做功能性檢驗(yàn),在方案已確定的電路中檢驗(yàn)電磁兼容性指標(biāo)能否滿足要求,若不滿足就要修改參數(shù)來(lái)達(dá)到指標(biāo),如發(fā)射功率、工作頻率、重新選擇器件等。其次是做防護(hù)性設(shè)計(jì),包括濾波、屏蔽、接地與搭接設(shè)計(jì)等。第三是做布局的調(diào)整性設(shè)計(jì),包括總體布局的檢驗(yàn),元器件及導(dǎo)線的布局檢驗(yàn)等。通常,電路的電磁兼容性設(shè)計(jì)包括:工藝和部件的選擇、電路布局及導(dǎo)線的布設(shè)等。

工藝和部件的選取

混合集成電路有三種制造工藝可供選擇,單層薄膜、多層厚膜和多層共燒厚膜。薄膜工藝能夠生產(chǎn)高密度混合電路所需的小尺寸、低功率和高電流密度的元器件,具有高質(zhì)量、穩(wěn)定、可靠和靈活的特點(diǎn),適合于高速高頻和高封裝密度的電路中。但只能做單層布線且成本較高。

多層厚膜工藝能夠以較低的成本制造多層互連電路, 從電磁兼容的角度來(lái)說(shuō),多層布線可以減小線路板的電磁輻射并提高線路板的抗干擾能力。因?yàn)榭梢栽O(shè)置專門的電源層和地層,使信號(hào)與地線之間的距離僅為層間距離。這樣,板上所有信號(hào)的回路面積就可以降至最小,從而有效減小差模輻射。

圖1：厚膜集成電路原理

其中多層共燒厚膜工藝具有更多的優(yōu)點(diǎn),是目前無(wú)源集成的主流技術(shù)。它可以實(shí)現(xiàn)更多層的布線,易于內(nèi)埋元器件,提高組裝密度,具有良好的高頻特性和高速傳輸特性。此外,與薄膜技術(shù)具有良好的兼容性,二者結(jié)合可實(shí)現(xiàn)更高組裝密度和更好性能的混合多層電路。

混合電路中的有源器件一般選用裸芯片,沒(méi)有裸芯片時(shí)可選用相應(yīng)的封裝好的芯片,為得到最好的EMC特性,盡量選用表貼式芯片。選擇芯片時(shí)在滿足產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的前提下,盡量選用低速時(shí)鐘。在HC能用時(shí)絕不使用AC,CMOS4000能行就不用HC。電容應(yīng)具有低的等效串聯(lián)電阻,這樣可以避免對(duì)信號(hào)造成大的衰減。

混合電路的封裝可采用可伐金屬的底座和殼蓋,平行縫焊,具有很好的屏蔽作用。

電路的布局

在進(jìn)行混合微電路的布局劃分時(shí),首先要考慮三個(gè)主要因素:輸入/輸出引腳的個(gè)數(shù),器件密度和功耗。一個(gè)實(shí)用的規(guī)則是片狀元件所占面積為基片的20%,每平方英寸耗散功率不大于2W。

在器件布置方面,原則上應(yīng)將相互有關(guān)的器件盡量靠近,將數(shù)字電路、模擬電路及電源電路分別放置,將高頻電路與低頻電路分開(kāi)。易產(chǎn)生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應(yīng)盡量遠(yuǎn)離邏輯電路。對(duì)時(shí)鐘電路和高頻電路等主要干擾和輻射源應(yīng)單獨(dú)安排,遠(yuǎn)離敏感電路。輸入輸出芯片要位于接近混合電路封裝的I/O出口處。

高頻元器件盡可能縮短連線,以減少分布參數(shù)和相互間的電磁干擾,易受干擾元器件不能相互離得太近,輸入輸出盡量遠(yuǎn)離。震蕩器盡可能靠近使用時(shí)鐘芯片的位置,并遠(yuǎn)離信號(hào)接口和低電平信號(hào)芯片。

元器件要與基片的一邊平行或垂直,盡可能使元器件平行排列,這樣不僅會(huì)減小元器件之間的分布參數(shù),也符合混合電路的制造工藝,易于生產(chǎn)。

在混合電路基片上電源和接地的引出焊盤應(yīng)對(duì)稱布置,最好均勻地分布許多電源和接地的I/O連接。裸芯片的貼裝區(qū)連接到最負(fù)的電位平面。

在選用多層混合電路時(shí),電路板的層間安排隨著具體電路改變,但一般具有以下特征。

(1)布線層應(yīng)盡量安排與電源或地平面相鄰以產(chǎn)生通量對(duì)消作用。
(2)電源和地層分配在內(nèi)層,可視為屏蔽層,可以很好地抑制電路板上固有的共模RF干擾,減小高頻電源的分布阻抗。
(3)板內(nèi)電源平面和地平面盡量相互鄰近,一般地平面在電源平面之上,這樣可以利用層間電容作為電源的平滑電容,同時(shí)接地平面對(duì)電源平面分布的輻射電流起到屏蔽作用。