Федеральное агентство по образованию

    Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

    Новгородский  Государственный Университет имени  Ярослава Мудрого

    

    Кафедра “Проектирование и технология РЭА” 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    ВИДЕОУСИЛИТЕЛЬ ВУ-30

    Курсовой  проект по учебной дисциплине:

    Интегральные  устройства радиоэлектроники 

    Пояснительная записка к курсовому проекту  по направлению

    551100 – проектирование и технология  электронных средств 

    НУРК.431124.001 ПЗ 
 
 
 
 
 

    Руководитель:

    _________ Петрова О.Н.

    “____” ________2005 г.

    студент гр. 3021

    _________ Иванов А.А.

    “____” ________2005 г. 

 

Содержание

 

    Введение 3

    1 Задание на курсовую работу 4

    2 Анализ технического задания 5

    3 Выбор навесных компонентов 6

    4 Расчёт геометрических размеров элементов 7

       4.1 Конструктивный расчёт тонкоплёночных резисторов 7

       4.2 Конструктивный расчёт тонкоплёночных конденсаторов 11

       4.3 Конструирование тонкоплёночных контактов 14

       4.4 Конструктивный расчёт межсоединений 16

    5 Разработка конструкции микросхемы 17

    6 Выбор материала подложки 18

    7 Расчёт теплового режима 19

    8 Расчёт надёжности 21

    Заключение 22

    Список  литературы 23 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

 

    Использование средств микроэлектроники – основа современного этапа развития всех отраслей радио и электронного приборостроения. Процессы производства и применения интегральных схем (ИС) являются совокупным отражением передовых научно-технический достижений в области физики, радиотехники, автоматики, кибернетики, машиностроении.

    Важные  задачи сегодняшнего дня выдвигают  новые требования к уровню подготовки современных специалистов. Особенно важно для отраслей промышленности, определяющих научно-технический и социальный прогресс.

Знание основ  микроэлектроники необходимо для рационального  применения электронной базы при  создании радиоэлектронной аппаратуры, обоснованного задания технических требований на разработку функционально - специализированных изделий микроэлектроники, а также их схемотехнического проектирования.

    Курсовой  проект ставит своей целью разработку тонкоплёночной гибридной схемы. Разработанная гибридная схема позволит уменьшить массу и габариты разрабатываемого устройства, в котором будет применена эта схема. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     

    1 Задание  на курсовую работу 

    Вариант 30. 

 

    Рисунок 1- Схема электрическая принципиальная 

    Эта схема представляет собой видеоусилитель. В схеме представлены пять резисторов, два конденсатора и транзистор типа КТ 369 В. Номинальные значения элементов приведены в таблице 1. 

    Таблица 1 - Номинальные значения элементов 

 

    - γ_Ri – 20%

    - γ_ρS – 5%

    - γ_Ci – 25%

     

    Требуется разработать конструкцию гибридной  интегральной микросхемы, используя  тонкоплёночную технологию. Рабочая температура окружающей среды от минус 25 до плюс 40 ºС .

Максимальная  рабочая частота fmax соответствует верхней рабочей частоте используемого транзистора. Срок службы 3000 часов. 
2 Анализ технического задания 

    Микросхема  видеоусилителя может быть изготовлена  по тонкопленочной технологии с применением навесных элементов. Конструкция микросхемы выполняется методом фотолитографии. На поверхности подложки сформированы пленочные резисторы, конденсаторы, а также контактные площадки и межэлементные соединения. Пленочная технология не предусматривает изготовление транзисторов, поэтому транзистор выполнен в виде навесных элементов, приклеенных на подложку микросхемы. Выводы транзистора привариваются к соответствующим контактным площадкам.

    Микросхема  должна удовлетворять общим техническим  условиям и удовлетворять следующим требованиям:

    температура воздуха или другого газа при  эксплуатации от минус 25 до плюс 40 ºС;

    расчетное время эксплуатации 3000 часов;

    тип производства – единичное.

    Исходным  документом при проектировании является схема электрическая принципиальная. Чертеж схемы Э3 прилагается.

    В схеме представлены пять резисторов, два конденсатора и один транзистор типа КТ369В. Для выполнения курсового  проекта необходимо чётко определить режим работы компонентов и элементов с целью определения предпочтительных режимов работы.

    Определим мощность, рассеиваемую на резисторах:

                                                                                                               (1)

     Вт

     Вт

     Вт

     Вт 
 

    Максимальное  рабочее напряжение конденсатора составляет 12,6В. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    3 Выбор  навесных компонентов 

    В качестве навесного компонента задан транзистор типа КТ 369 В, безкорпусной с гибкими выводами и защитным покрытием. Установочные размеры транзистора приведены на рисунке 2. 
 
 

                  

                            Рисунок 2 - Габаритный чертеж транзистора КТ 369 В 

    Транзистор  имеет следующие параметры:

 

 

    4 Расчет геометрических  размеров элементов 

    4.1 Конструктивный расчет резисторов 

    4.1.1 Конструктивный расчет тонкопленочных  резисторов R1, R2, R3, R4, R5 

    4.1.1.1 Определение оптимального значения  удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки 

 

    где n – число резисторов; Ri – номинал i-го резистора.

    ρ_sопт = Ом/□ 

    4.1.1.2 Выбор материала резистивной  пленки 

    Материал  резистивной пленки выбирается в соответствии со значением удельного поверхностного сопротивления.

    Сплав РС 3001 ГОСТ 22025-76

    ρ_sопт = 3000 Ом/□

    Допустимая  мощность рассеивания  Р₀ = 5 Вт/см²

    TKR при температуре от минус 60 до плюс 125°С   а = 0,0001 1/°С [ 4 ]. 

    4.1.1.3 Проверка правильности выбранного материала 

    Проверка  правильности выбранного материала  резистивной пленки проводится с  точки зрения точности изготовления резисторов.

    Допустимая  погрешность коэффициента формы  определяется по формуле: 

 

где _R - полная относительная погрешность 20%[3];

      _ρS - погрешность воспроизведения величины ρ резистивной пленки 5%[3];

      _RCT - погрешность обусловленная старением 0,5%[1];

      _RT - температурная погрешность;

      _RK - погрешность сопротивления контактов 2%[1]. 

 

    где α_R температурный коэффициент сопротивления, 1/°С 

     _RT = 0,0001(40 – 20)·100% = 0,2%

     _КФДОП =

    Так как  _КФДОП > 0, то изготовление резисторов из данного материала возможно. 

    4.1.1.4 Определяем конструкцию резисторов по значению коэффициента формы 

    Коэффициент формы определяется по следующей  формуле: 

 

    Рассчитаем  коэффициент формы для резисторов R1,R2,R3, R4, R5. 

    K_Ф1 = 15000/3000 = 5

    K_Ф2 = 1000/3000 = 0,33

    K_Ф3 = 5000/3000 = 1,66

    K_Ф4 = 2000/3000 = 0,66

    K_Ф5 = 1000/3000 = 0,33 

    Результаты  расчетов К_Ф приведены в таблице 2 . 

    4.1.1.5 Расчет резисторов R1, R3 

    К_Ф1 = 5

    К_Ф3 = 1,66

    Для резисторов, имеющих 1< К_Ф< 10 расчетное значение ширины резистора определяется из условия: 

 

где b_техн - минимальная ширина резистора, определяемая возможностями выбранного технологического процесса (b_техн = 0,1 мм для метода фотолитографии);

       b_точн - ширина резистора, определяемая точностью изготовления 

 

    где Δb, Δl – погрешности изготовления ширины и длины резистора, зависящие от выбранного метода изготовления; Δb = Δl = 0,01мм для метода фотолитографии. 

    b_точн1 = 0,098 мм

    b_р - минимальная ширина при которой обеспечивается заданная мощность: 

 

    b_р1 мм

    b_расч1 > max{0,1, 0,098, 0,21}

    Принимаем  b_расч1 = 0,25 мм

    Расчетную длину резистора определяем по формуле: 

 

    l_расч1 = 0,25·5 = 1,25 мм.

    С учетом округления до шага координатной сетки l_расч1 = 1,25 мм.

    Определим полную длину резистора с учетом перекрытия контактных площадок: 

 

    где е = 0,1 мм - размер перекрытия резистора  и контактных площадок

    l_полн1 = 1,25 + 0,2 = 1,45

    Определим площадь, занимаемую резистором 

 

    S₁ = 1,45 · 0,25 = 0,36 мм² 

    Резистор  R3 рассчитывается аналогично. Результаты расчетов сведены в таблице 2. 

    4.1.1.6 Расчет резисторов R2, R4, R5 

    К_Ф2,5 = 0,33

    К_Ф4 = 0,66

    Для резисторов имеющих 0,1 < К_Ф< 1 сначала определяют длину, а затем ширину резистора.

    Расчетное значение длины резистора l_расч  выбирают из условия: 

 

где l_техн - минимальная длина резистора, определяемая разрешающей способностью выбранного технологического метода формирования конфигурации (l_техн - 0,1 мм для метода фотолитографии);

       l_точн - минимальная длина резистора, при которой обеспечивавши заданная мощность. 

 

    где Δb = Δl = 0,01мм

    l_точн2,5 = 0,1 мм

    l_р - минимальная длина резистора, при которой рассевается заданная мощность: 

 

    l_р2,5 мм.

    l_расч2,5 > max{0,1; 0,1; 1}

    Принимаем l2,5 = 1 мм

    Расчетную ширину резистора определяем по формуле: 

 

    b_расч2,5 = 1/0,33 = 3,03 мм.

    За  ширину принимаем b_расч2,5 = 3 мм. Полная длина резистора l_полн2,5 = 1,2 мм. Определим площадь резистора по формуле (14).

    S_2,5 = 1,2·3 = 3,6 мм²

    Резистор  R4 рассчитывается аналогично. Результаты расчетов сведены в таблице 2 [1,3].

 

    Таблица 2 - Параметры резисторов 

 

    4.2 Конструктивный расчет тонкопленочных конденсаторов 

      4.2.1 Расчет конденсаторов С1 и С2 

    Расчет  пленочного конденсатора начинают с  выбора материала диэлектрика по рабочему напряжению. Для U_p=12,6 B выбираем пятиокись тантала, материал для напыления обкладок - алюминий А99. Диэлектрическая проницаемость ε = 23 при частоте f = 1 кГц , Е_пр=2·10⁶ В/см, ТКЕ = 4·10^-4 1/°С, γс_ст = 5[2]. 

 

где k_З - коэффициент запаса электрической прочности (k_З = 2-3);

      U_Р - рабочее напряжение;

      E_пр - электрическая прочность материала диэлектрика. 

    

    Толщина диэлектрика должна находиться в  пределах 0,1 - 1 мкм. Толщину диэлектрика  берем равной 0,2 мкм.

    Определим удельную емкость конденсатора (пФ/см²) 

 

где ε - диэлектрическая проницаемость;

      d- толщина диэлектрика, см.

      

    Определим относительную температурную погрешность 

 

    где α_с - температурный коэффициент емкости материала диэлектрика

    γс_т = 4·10^-4(40 – 20) ·100% = 0,8%

    Определим допустимую погрешность активной площади  конденсатора 

 

где γс = 20% полная относительная погрешность изготовления;

     γс₀ = 5% относительная погрешность удельной емкости;

     γс_т = 0,8%  относительная температурная погрешность;

     γс_ст = 5% относительная погрешность, обусловленная старением материала.

    γs_доп = 20 - 5 – 0,8 - 5 = 9,2%

    γs > 0, значит изготовление конденсатора из этого материала возможно.

    Определим удельную емкость конденсатора с  учетом точности его изготовления: 

 

    Для обкладок квадратной формы K_ф = 1. 

 

    где ∆L = 0.01 для метода фотолитографии.

    С_{0 точн1} = 1200

    Выбираем  минимальное значение удельной емкости  конденсатора, учитывая электрическую прочность и точность изготовления. 

 

    С₀<min(1017,7; 25392)

    Выбираем  С₀ = 1017,7 пФ/мм².

    Определим коэффициент, учитывающий краевой эффект: 

 

    Так как С/С₀ = 1,18, то K = 1,3 - 0.06·1,18 = 1,2292.

    Определим площадь верхней обкладки конденсатора: 

 

    

    Находим размеры верхней обкладки. Поскольку K_ф = 1, то: