Разработка тонкопленочной микросборки

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Техническое задание

В состав МСБ входят следующие элементы

Элемент	Обозначение	Номинал	Размерность
резисторы	R8	25	кОм
	R9	25	кОм
конденсатор	C5	3000	пФ
усилитель	DA

o рабочий частотный диапазон: 10 Гц - 20 кГц;

o годовая программа выпуска: 6000 шт.;

o срок эксплуатации: 3000 ч;

o допустимое значение паразитных параметров:

· ;

· ;

· ;

o требования к конструкции МСБ: корпусированная МСБ;

o вариант технологии: тонкопленочная;

o метод получения рисунка: комбинированный метод;

o расположение выводов: на все стороны.

Все резисторы и конденсаторы можно реализовать в тонкопленочном исполнении; усилитель - навесной.

Для реализации пленочных элементов тонкие пленки следует нанести термическим вакуумным напылением, необходимая конфигурация элементов и соединений достигается с помощью метода фотолитографии. Данный метод обеспечит необходимую точность изготовления элементов, а также дает возможность обеспечения экономической эффективности производства. Если при разработке топологии проводящего рисунка получится так, что избежать пересечений проводящих слоев не представляется возможным, то фотолитография может быть использована для формирования всех тонкопленочных резисторов и проводящего рисунка только первого, нижнего слоя. В таком случае потребуется применить также масочный метод для формирования слоя диэлектрика и верхнего проводящего слоя. Соответственно, общий метод будет комбинированным.

2. Конструирование тонкопленочных пассивных элементов

2.1 Конструирование тонкопленочных резисторов

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:

Материал	R0, Ом/?	КН	Ро, мВт/мм2	бR.10-4, 1/оС	вR.10-5, 1/ч
РС 1004	20000	1	50	15	2

R₀ - удельное сопротивление;

Кн - коэффициент нагрузки ТР по мощности;

P₀ - удельная мощность рассеивания резистивного материала;

б_R - температурный коэффициент сопротивления - ТКС;

в_R - коэффициент старения;

1. Определяем К_ф:

- коэффициент формы ТР;

;

т.к. , следовательно резистор имеет прямоугольную форму.

2. Определяем относительную температурную погрешность:

;

t_д=75 ?С - допустимая рабочая температура;

;

3. Определяем относительную погрешность старения:

;

ф=3000 ч - предполагаемый срок эксплуатации;

;

4. Определяем относительную контактную погрешность:

=0.5% - для фотолитографии;

5. Определяем допустимую относительную погрешность сопротивления ТР:

;

- относительная температурная погрешность;

=6% - относительная погрешность старения;

- относительная погрешность контактного сопротивления;

- заданный допуск на сопротивление ТР;

, следовательно, необходимо задать новый допуск на сопротивление пленочного резистора.

6. Определяем допустимую относительную погрешность коэффициента формы:

;

- допустимая относительная погрешность сопротивления ТР;

- относительная погрешность удельного поверхностного сопротивления;

;

7. Определяем параметр b_т по точностному критерию:

,

- абсолютная погрешность ширины резисторов;

- абсолютная погрешность длины резисторов;

мм;

8. Определяем b_м по мощности рассеивания

;

мм;

9. Определяем ширину резистора:

b=max(b_т, b_м, b_техн);

b_т=1,0 мм;

b_м=0.4 мм;

b_техн=0.1 мм - минимальная ширина ТР при фотолитографии;

b=max (1,0; 0,4; 0.1)=1,0 мм;

10. Определяем длину резистора:

;

мм;

11. Проверка:

;

; - выполняется

2.2 Расчет тонкопленочных конденсаторов

Современная технология позволяет проектировать и изготавливать тонкопленочные конденсаторы с номинальной емкостью до 0,015 мкФ (15000 пФ) и допуском на номинал (±20%).

Тонкопленочные конденсаторы, используемые в МСБ, состоят из двух пленочных металлических обкладок и диэлектрического слоя между ними. Материал обкладок - алюминий.

В качестве материала диэлектрика выберем моноокись кремния (SiO):

Материал диэлектрика		E.10-6, В/см	.10-4, 1/°С	.10-5, 1/ч	, 1 кГц
Моноокись кремния SiO	6	2	2	±1,5	0,01

Материал обкладки - алюминий.

Исходные данные для расчета конденсаторов:

· допуск на емкость

· рабочее напряжение

· допустимая рабочая температура t_д=75^o;

· предполагаемый срок эксплуатации ;

· относительная погрешность удельной емкости г_Cо=ДC₀/C=±14%;

· абсолютные погрешности длины и ширины верхней обкладки ДL₂= ДB₂ =±0,05 мм;

· коэффициент формы ТК ;

· коэффициент запаса электрической прочности ;

· технологические зоны, предназначенные для компенсации смещения масок при напылении .

Расчет конденсатора C1

;

1) Толщина диэлектрика:

2) Удельная емкость:

;

3) Активная площадь ТК (площадь верхней обкладки):

;

4) Относительная температурная погрешность:

5) Относительная погрешность старения

6) Допустимая относительная погрешность емкости:

7) Относительная допустимая погрешность коэффициента формы верхней обкладки:

8) Ширина верхней обкладки по заданному значению :

;

9) Площадь верхней обкладки по точностному критерию:

;

10) Площадь верхней обкладки:



11) Толщина диэлектрика:

12)

13)

14) Длина и ширина нижней обкладки:

15) Длина и ширина диэлектрического слоя:

16) Площадь конденсатора:

.

2.3 Расчет тонкопленочных проводников

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.

Материал	Толщина слоя, нм	Удельное поверхностное сопротивление R0 опт, Ом/?	Способ контактирования с проволочными проводниками
Подслой - нихром Х20Н80	20	0,02	Сварка
Слой - медь ваккумной 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=5,0 мА.

Выбрана структура нихром-медь-никель, R_o=0,02 Ом.

Тогда при известной толщине проводника t=0,02+0,7+0,08=0,8 мкм можно рассчитать ширину проводника и допустимую длину:

3. Выбор навесных элементов

Операционный усилитель К140УД14

Принципиальная схема:

Конструктивные параметры

Тип п/п прибора	Габаритные размеры, мм	d, мм	l, мм	Габариты конт. пл.
	a	b	H			n	m
К140УД14	2	2	0,4	0,04	0,8	0,3	0,4
Назначение выводов
Вывод	Назначение
1	Регулировка смещения нуля (Баланс)
2	Инвертирующий вход
3	Неинвертирующий вход
4	Отрицательное напряжение питания (-12В)
5	Регулировка смещения нуля (свободный)
6	Выход
7	Положительное напряжение питания (+12В)
8	Частотная коррекция

Электрические параметры

1	Напряжение питания	15 В
2	Максимальное выходное напряжение	12,77 В
3	Напряжение смещения нуля при Uп= 15 В, Rн = 10 кОм	не более 10 мВ
4	Входной ток при Uп= 15 В, Rн = 10 кОм	не более 10 нА
5	Разность входных токов при Uп= 15 В, Rн = 10 кОм	не более 2 нА
6	Ток потребления	не более 0,816 мА
7	Коэффициент усиления напряжения Uп= 15 В, Rн > 10 кОм	20*103
8	Входное сопротивление	>10 МОм

Предельно допустимые режимы и условия

1	Напряжение питания	(4,5…16,5) В
2	Входное синфазное напряжение	7,5 В
3	Температура окружающей среды	-10..+70 0С
4	Емкость нагрузки	<100 пФ

4. 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.

(Для упрощения топологии печатной платы от нижней обкладки конденсатора сделаны два вывода на разные стороны микросборки. Это позволило избежать пересечений проводников, а также равномерно распределить выводы микросборки на четыре стороны).

4.1 Определение площади платы и выбор размера платы

Площадь платы определяется по формуле

, где



Ближайшее большее значение площади платы при ее габаритах

12*16=192 мм²

4.2 Схема размещения плат на подложке

Платы размером 12Х16 мм размещаются на стандартной подложке 48Х60 мм.

4.3 Выбор материала платы

В качестве материала подложки выберем ситалл, так как он обладает хорошей теплопроводностью и является относительно дешевым материалом среди других

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;

5. Оценка качества конструкции МСБ

5.1 Тепловой расчет МСБ

Так как в микросборке имеются теплонагруженные элементы (такие, как навесной операционный усилитель), то тепловой расчет проводится.

Тепловой расчет МСБ включает в себя:

· анализ теплового режима МСБ;

· определение зон защиты, предохраняющих термокритичные элементы от влияния других элементов и компонентов;

· расчет перегревов элементов МСБ.

1) Определение теплового сопротивления (коэффициента кондуктивной передачи) :

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

2) Определение приведенной толщины платы :

3) Определение максимально допустимой удельной мощности рассеивания на поверхности платы:

;

;

;

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

5.2 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, расположенных наиболее близко друг к другу.

Емкость между параллельными проводниками:

, где

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



Индуктивная паразитная связь

Взаимная индуктивность между двумя параллельными проводниками:

Гальваническая паразитная связь

U_{доп пар}=50 мВ;

I_max=50 мА;

l_ш=5,5 мм;

b_ш=1,1 мм;

R_o=0,02 Ом/.

Падения напряжения:

5.3 Анализ надежности 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		Коэф-ты режима при
Тонкопленочный резистор	2	1	4,4	8.8
Тонкопленочный проводник	9	0.1	1	0.9
Тонкопленочный конденсатор	1	80	12,4	992
Тонкопленочный контакт	9	0.1	1	0,9
Соединение сваркой	6	5	1	30
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:

6. Выбор корпуса МСБ

Выводы на четыре стороны, минимальное количество выводов - 5. В соответствии с ГОСТ 17467-88 «Микросхемы интегральные. Основные размеры» по выбранному размеру платы (10*16 мм) и по максимальной высоте навесных элементов был выбран корпус для МСБ (шифр типоразмера 1402):

Параметры выбранного корпуса:

1. Количество выводов: 20

2. Размеры: B=E = 14,5 мм, L =D= 19,5 мм, H=A2 = 7,5 мм

3. Полезная высота: h = 5 мм

4. Размер зоны крепления платы: 8,2 мм 13,2 мм

5. Максимальный размер платы: 8 мм 16,5 мм

6. Масса: 5,7 г

Выводы

Главной задачей при проектировании МСБ было уменьшение ее габаритов, что достигается за счет использования тонкопленочной технологии, которая значительно упрощает процесс миниатюризации. В соответствии с этой задачей произведен детальный расчет тонкопленочных элементов, выбраны навесные элементы, материал и размеры платы.

Расчет МСБ на паразитные связи показал, что разработанная топология удовлетворяет требованиям ТЗ, и нет необходимости производить ее корректировку, так как значения емкости, индуктивности между двумя параллельными проводниками и величина падения напряжения находятся в норме и меньше допустимых значений соответствующих величин.

Список литературы

тонкопленочный резистор микросборка плата

1. Медведев А.М. Сборка и монтаж электронных устройств. М.: Техносфера, 2007. - 255 с.

2. Медведев А.М. Печатные платы. Конструкция и материалы. М.: Техносфера, 2005. - 302 с.

3. Романычева Э.Т. Разработка и оформление конструкторской документации РЭА. М.: Радио и связь, 1984. - 256 с.

4. Мурашев Ю.Г. Конструкторско-технологическое проектирование печатных узлов. СПб.:, 1995. - 92 с.

5. Жаркой М.Ф. Конструирование микросборок: учебное пособие. СПб.:, 2007. - 86

6. Нефедов А.В. Справочник «Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги» том 1; 1996. - 512.

Размещено на Allbest.ru

...