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