Конструирование и проектирование типовых приборов и устройств

1. Введение 

    Данный  курсовой проект основан на теоретическом  курсе «Конструирование и проектирование типовых приборов и устройств», и  состоит из проектирования печатного  узла (2 часть) и перевода части печатного  узла в микроэлектронное исполнение (часть 1). 

    В первой части работы проводится конструирование  микросборки части принципиальной электрической схемы. 

 Микросборка (МСБ) – микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала, состоящая из элементов и (или) компонентов, размещенных на общей подложке, разрабатываемое для конкретной РЭА с целью улучшения показателей её микроминиатюризации и рассматриваемое как единое целое с точки зрения требований к приемке, поставке и эксплуатации. 

 Основными преимуществами являются: минимальные габариты, функциональная законченность, высокая надежность, оптимальная электромагнитная совместимость, возможность унификации. 

 Представленная  в данной работе последовательность конструирования МСБ позволяет  усовершенствовать исходную принципиальную схему и обеспечить лучшую работоспособность.

    Во  второй части проводится выбор и  обоснование типа и технологии печатной платы, расчет параметров проводящего  рисунка, расчет проводников по постоянному  и переменному току. Тут же производится расчет теплового режима на необходимость  введения принудительного охлаждения. Технологическое проектирование включает в себя обеспечение технологичности  конструкции, которое предусматривает  взаимосвязанное решение конструкторских  и технологических задач, направленных трудовых и материальных затрат и  сокращение времени на производство, техобслуживание и ремонт изделия. 

 На сегодняшний  день технические требования к печатным узлам постепенно возрастают, что  связано с ужесточением условий  эксплуатации и увеличением плотности  компоновки. Это приводит к необходимости  решения ряда технических проблем, начиная с точности получения  проводящего рисунка, помехоустойчивости и заканчивая обеспечением требуемых  электрофизических свойств материалов и т.д. Таким образом, конструкторско-технологические  расчеты печатных узлов (проводятся в данном курсовом проекте) стали  действительно необходимым аппаратом  для их создания.

Часть I. «Конструкторско-технологическая разработка тонкопленочной микросборки»

1.1 Конструкторская разработка МСБ

• Техническое задание

В состав МСБ  входят следующие элементы:

Элемент	Обозначение	Номинал	Размерность
резисторы	R5	2	кОм
	R6	0.6	кОм
	R8	20	кОм
усилитель	DA2

 

• рабочий частотный  диапазон: 10 Гц-20кГц;
• годовая программа выпуска: 5 000 шт;
• срок эксплуатации: 3 000 ч;
• допустимое значение паразитных параметров:
• ;
• ;
• ;
• требования к конструкции МСБ: корпусированная МСБ минимального размера.
• вариант технологии: тонкопленочная;
• метод получения рисунка: фотолитография;
• расположение выводов: на широкие стороны МСБ.

 

 Все резисторы  можно реализовать в тонкопленочном исполнении; усилитель – навесной. 

 

3. Преобразованная  и коммутационная  схемы 

    Преобразованная схема:

    

    Коммутационная  схема:

    

 
 
 

 

• элементов МСБ

резистор  прямоугольной формы  (R5)

    При конструировании МСБ для реализации средних номиналов сопротивлений  ТР предпочтительно использование резисторов прямоугольной формы.

Исходными данными  для расчета являются:

• Номинальное сопротивление R=2000 Ом
• Мощность рассеивания P=10мВт
• Допустимая рабочая температура t_д=75^o
• Предполагаемый срок эксплуатации t=3000 ч.
• Погрешность удельного поверхностного сопротивления γ_Ro=±4%
• Заданный допуск на сопротивление γ_Rз=±10%
• Погрешность контактного сопротивления γ_Rк=±0,5%
• Погрешность длины резистора Δl=±0,04%
• Погрешность ширины резистора Δb=±0,02%
• Технологическая зона h=0,1 мм
• Коэффициент нагрузки ТР по мощности К_н=1

    Для всей номенклатуры сопротивлений тонкопленочных резисторов (ТР) требуется выбрать один резистивный материал. Для этого определим оптимальное сопротивление , при котором площадь, занимаемая всеми резисторами МСБ, будет минимальна

       Ом/□

    По  таблице 1 из [1] выбираем резистивный  материал с ближайшим меньшим R_o:

материал	Ro, Ом/□	Кн	Ро, мВт/мм2	α.10-4, 1/оС	β.10-5, 1/ч
РС 3001	3000	1	50	1	0,5

 
 
 
 

    Коэффициент формы:

    

    Относительная температурная погрешность:

     .

    Относительная погрешность старения:

     .

    Относительная контактная погрешность:

     - для фотолитографии.

    Допустимая  относительная погрешность сопротивления  ТР:

      - задавать новый допуск на сопротивление ТР не требуется

    Допустимая  относительная погрешность коэффициента формы:

     .

    Определим ширину ТР b_T  или длину l_T по точностному критерию:

    

    Определяем  длину ТР по заданной мощности рассеивания:

     .

    l_техн=0,1 мм – минимальная длина ТР при фотолитографии

    

    Определяем  активную ширину ТР:

      мм.

    Проверка:

    

 

низкоомный резистор (R6)

Так как  используем низкоомный резистор

Исходными данными  для расчета являются:

• Номинальное сопротивление R=600 Ом
• Мощность рассеивания P=10мВт
• Допустимая рабочая температура t_д=75^o
• Предполагаемый срок эксплуатации t=3000 ч.
• Погрешность удельного поверхностного сопротивления γ_Ro=±4%
• Заданный допуск на сопротивление γ_Rз=±10%
• Погрешность контактного сопротивления γ_Rк=±0,5%
• Погрешность длины резистора Δl=±0,04%
• Погрешность ширины резистора Δb=±0,02%
• Технологическая зона h=0,1 мм
• Коэффициент нагрузки ТР по мощности К_н=1

 

    Коэффициент формы:

    

    Относительная температурная погрешность:

     .

    Относительная погрешность старения:

     .

    Относительная контактная погрешность:

     - для фотолитографии.

    Допустимая  относительная погрешность сопротивления  ТР:

      - задавать новый допуск на сопротивление ТР не требуется 
 

    Допустимая  относительная погрешность коэффициента формы:

     .

    Определяем  b_т по точностному критерию:

    

    Определяем  b_м по мощности рассеивания:

    

    Определяем  параметр b:

    

    Определяем l:

    

    Выбираем  ширину внешней рамки t=0,4мм.

    Проверка:

    

 

резистор  прямоугольной формы  (R8)

    При конструировании МСБ для реализации средних номиналов сопротивлений  ТР предпочтительно использование резисторов прямоугольной формы.

Исходными данными  для расчета являются:

• Номинальное сопротивление R=20000 Ом
• Мощность рассеивания P=10мВт
• Допустимая рабочая температура t_д=75^o
• Предполагаемый срок эксплуатации t=3000 ч.
• Погрешность удельного поверхностного сопротивления γ_Ro=±4%
• Заданный допуск на сопротивление γ_Rз=±10%
• Погрешность контактного сопротивления γ_Rк=±0,5%
• Погрешность длины резистора Δl=±0,04%
• Погрешность ширины резистора Δb=±0,02%
• Технологическая зона h=0,1 мм
• Коэффициент нагрузки ТР по мощности К_н=1

 

    Коэффициент формы:

    

    Относительная температурная погрешность:

     .

    Относительная погрешность старения:

     .

    Относительная контактная погрешность:

     - для фотолитографии.

    Допустимая  относительная погрешность сопротивления  ТР:

      - задавать новый допуск на сопротивление ТР не требуется

    Допустимая  относительная погрешность коэффициента формы:

     .

    Определим ширину ТР b_T  или длину l_T по точностному критерию:

    

    Определяем  ширину ТР по заданной мощности рассеивания:

     .

    b_техн=0,1 мм – минимальная длина ТР при фотолитографии

    

    Определяем  активную ширину ТР:

      мм.

    Проверка:

    

 

тонкопленочные  проводники

    Пленочные проводники конструируют в виде полосок  минимальной длины. Минимальная  ширина проводника для фотолитографии составляет 100 мкм. В качестве проводников  используются трехслойные структуры, состоящие из подслоя, основного  слоя и защитного покрытия.

    Подслой обеспечивает высокую адгезию проводящей пленки и подложки, основной слой –  высокую проводимость, а защитный слой предохраняет тонкопленочный проводник  от климатических воздействий и  обеспечивает монтажные свойства

Материал	Толщина слоя, нм	Удельное поверхностное  сопротивление R0 опт, Ом/□	Способ контактирования с проволочными проводниками
Подслой – нихром Х20Н80	20	0,02	Сварка
Слой  – медь вакуумной плавки МВ	700
Покрытие  – никель НП2-М-М	80

 
 

    При расчете тонкопленочных проводников  задают допустимую плотность тока j=0,02 мА/мкм², допустимую величину падения напряжения на проводнике U_доп=50 мВ, и максимальный ток, протекающий по этому проводнику, I_max=5 мА.

    Выбрана структура нихром-медь-никель, R_o=0,02 Ом  [1, с.27, табл.5].

    Тогда при известной толщине проводника t=0,8 мкм  можно рассчитать ширину проводника и допустимую длину:

      
 

 

• Выбор навесных элементов

    В настоящее время гибридная технология использует бескорпусные навесные активные компоненты: ИС, диодные и транзисторные матрицы, одиночные транзисторы. Активный компонент выбирается в соответствии с техническими требованиями индивидуального задания.

операционный  усилитель

 Операционный усилитель 154УД3, имеет зарубежный корпусной аналог AD509. Бескорпусной отечественный аналог для 154УД3 не был найден. В связи с этим заменяем «1» на «7», тем самым получаем бескорпусной операционный усилитель 754УД3.

    Конструктивные  параметры:

Тип п/п прибора	Габаритные  размеры, мм			d, мм	l, мм	Габариты  конт. пл.
	a	b	H			n	m
754УД3	1.9	1.9	0,4	0.04	0.8	0.3	0.4

Входы операционного усилителя:

1 – Баланс

2 –  Вход инверсный

3 –  Вход неинверсный                       

4 –  Питание -12В

5 –  Свободный

6 –  Выход 

7 –  Питание +12В

8 –  Баланс

Принципиальная  схема:

• Разработка  топологии тонкопленочной БИС

 Исходными данными  для разработки топологии МСБ  являются коммутационная схема (рис.2), установочные размеры для активных и пассивных навесных компонентов, конструктивные и технологические  ограничения.

Разработка топологии  включает в себя:

1. Определение площади платы;

2. Размещение элементов на плате;

3. Разводку проводников.

определение площади платы  и выбор ее габаритных размеров

    Площадь платы определяется по формуле

     , где

    

По таблице 6 из [1] выбираем размер платы, ближайший по площади к :

Ширина, мм		Длина, мм
Номинальное значение	Отклонение	Номинальное значение	Отклонение
8	-0.1	10	-0.1

 

    Чертеж  топологии МСБ представлен в  приложении А.

 

• Схема размещения плат на подложке

 Платы размером 8Х10 мм размещаются на стандартной подложке 48Х60 мм.

• Материал  подложки

 Материал  подложки должен обладать хорошими изолирующими свойствами, малой диэлектрической  проницаемостью, высокой теплопроводностью, достаточной механической прочностью.

    В качестве материала подложки выберем  ситалл СТ50-1 (ситалл – кристаллическая разновидность стекла), так как он обладает приемлемыми качественными показателями при относительно низкой стоимости. 

Электрофизические и механические характеристики ситалла СТ50 – 1 :

    1. Чистота поверхности:  ;

    2. Температурный коэффициент линейного  расширения (ТКЛР): ;

    3. Теплопроводность:  ;

    4. Термостойкость:   ;

    5. на частоте f = 1 МГц

    6. Электрическая прочность:  40  кВ/мм;

    7. Ом/см;

    8. Удельная мощность рассеивания: 6 Вт/см²;

• Тепловой  расчет МСБ

анализ  теплового режима МСБ.

    Определение теплового сопротивления (коэффициента кондуктивной передачи) :

     (т.к. плата приклеивается  к основанию корпуса);

    

    

      [1, с.32, табл.9];

    

    

    Определение приведенной толщины платы  :

    

    Определение максимально допустимой удельной мощности рассеивания  на поверхности платы:

     ;

    

    

    

    

    

    

     ; 

;

    Сравнение усредненной удельной мощности рассеивания  МСБ  и максимально допустимой удельной мощности рассеивания :

• Анализ  паразитных связей

емкостная паразитная связь  в МСБ:

емкостная паразитная связь образуется при наличии пересечения проводников и при наличии параллельных проводников. В топологии разработанной МСБ отсутствуют пересечения проводников, поэтому рассчитаем емкостную паразитную связь только для системы из двух параллельных проводников (рис.):

    

    Емкость между параллельными проводниками:

     , где

    

    

    

    С точностью не ниже 25% коэффициент  для параллельных проводников равен:

    

      

    индуктивная паразитная связь  в МСБ :

    

Взаимная  индуктивность между двумя параллельными  проводниками:

      

    гальваническая  паразитная связь  в МСБ:

    U_{доп пар}=50 мВ;

    I_max=50 мА;

    l_ш=2.4 мм;

    b_ш=0,031 мм;

    R_o=0,02 Ом/.

    Падения напряжения:

• Анализ  надежности МСБ статистическим методом.

 В основу анализа  положено предположение, что МСБ  может рассматриваться как радиоэлектронное изделие, состоящее из разнородных  дискретных элементов и компонентов. Поэтому для МСБ справедлив экспоненциальный закон надежности:

           ,

где:

- вероятность безотказной работы  МСБ в течение времени  ;

- интенсивность отказа МСБ. 

Средняя наработка  до первого отказа (МСБ считается  невосстанавливаемым изделием):

            
 

Интенсивность отказа:

где:

- количество активных навесных  компонентов: бескорпусных микросхем, транзисторов, диодов;

- количество пассивных навесных  компонентов (конденсаторов);

- количество пленочных элементов:  резисторов, конденсаторов,  проводников;

- количество плат в МСБ;

- количество внешних соединений  МСБ и соединений между платами;

- количество выводов бескорпусной микросхемы;

- интенсивности отказов соответствующих  элементов:

- интенсивность отказа корпуса;

- интенсивность отказов соединений, выполняемых сваркой, пайкой;

- интенсивность отказов пленочных  контактов;

- коэффициенты режима работы  соответствующих компонентов:

- коэффициент, учитывающий влияние  вибраций и ударов: 

Расчет интенсивности  отказов для рассматриваемой МСБ. Исходные данные представлены в таблице:

Наименование  элементов и компонентов МСБ	Количество		Коэффициенты режима  при
Тонкопленочный  резистор	3	1	4,4	13.2
Тонкопленочный  проводник	10	0.1	1	1
Тонкопленочный  контакт	17	0.1	1	1.7
Соединение  сваркой	9	5	1	45
Подложка (плата)	1	0.5	1	0.5
Корпус	1	1	1	1
Бескорпусная микросхема	1	100	5,2	520

 
 

    

     ;

    

    Средняя наработка до первого отказа:

    

    Вероятность безотказной работы:

    

• Выбор корпуса микросборки

    В соответствии с техническим заданием корпус микросборки должен отвечать требованиям: