Создание технологичной геоинформационной системы
Введение
Интегральная микросхема (ИМС) - это
конструктивно законченное изделие, выполняющее определенные функции
преобразования информации и содержащая совокупность электрически связанных
между собой электрорадиоэлементов (ЭРЭ), изготовленных в едином технологическом
цикле.
Аппаратура построенная на ИМС по сравнению с
аналоговой на дискретных компонентах обладает следующими преимуществами:
1. меньшие размеры аппаратуры;
2. более низкая стоимость процесса
производства;
. повышенная надежность, что уменьшает
стоимость процесса эксплуатации за счет сокращения простоев аппаратуры.
Микросхемы разделяют на группы по принципу
устройства:
1. Полупроводниковые
ИМС.
2. Гибридные
ИМС.
3. Пленочные
ИМС.
4. Совмещенные
ИМС.
Применение ИМС произвело революцию в РЭА, позволило
усовершенствовать и создавать новые методы производства и проектирования РЭА,
повысить ее технологические и эксплуатационные характеристики.
1.
Анализ задания
Целью данного курсового проекта является
создание технологичной ГИС. В качестве электрической принципиальной схемы была
выбрана схема усилителя низкой частоты. Анализируя схему рис. 1, выделяем
элементы, которые можно выполнять с помощью тонкопленочной технологии. Такими
элементами является конденсатор C1
с небольшой емкостью и резисторы. Транзистор целесообразно выполнить навесным
элементом. В процессе разработки микросхемы требуется определить геометрические
параметры интегральных компонентов микросхем, выбрать материал изготовления
резисторов, облаток конденсаторов, его диэлектрика, проводников и контактных
площадок, а так же материала для подложки микросхемы.
Рис. 1. Схема электрическая принципиальная
Таблица 1. Перечень элементов схемы
электрической принципиальной
Элемент
|
R1
|
R2
|
R3
|
R4
|
R5
|
R6
|
VT1,VT2,VT3
|
C1
|
Характеристика
|
4,0
кОм
|
5,0
кОм
|
1,8
кОм
|
4,0
кОм
|
2,0
кОм
|
1,5
кОм
|
КТ307А
|
560
пФ
|
2. Обоснование выбора материала подложки
Подложки в ГИС являются механическим и
диэлектрическим основанием, на которых располагаются пленочные элементы и
навесные компоненты. В качестве материала подложки выбираем СИТАЛЛ СТ-50-1
(ТХО.735.062.ТУ).
Основные характеристики СИТАЛЛА:
1) класс
точности обработки поверхности 13¸14;
2) температурный
коэффициент линейного расширения при t=20¸30°
равен (50±2)·10-1 [1/ °C];
3) коэффициент
теплопроводности 1,5;
4) диэлектрическая
проницаемость при f=106 Гц и t=20°C
составляет 5¸8,5
5) тангенс
угда диэлектрических потерь при f=106
Гц и t=20°C
составляет 20·10-4.
3. Расчет конструкционных
элементов
.1 Расчет резисторов
Для расчета мощности резисторов рассмотрим
эквивалентную схему.
Rобщ=R1+
R2+R3+R4+R5+
R6=16,3 кОм.
P1,4=I2R1=0,36 мВт=I2R2=0,45
мВт=I2R3=0,2
мВт=I2R5=0,18
мВт6=I2R6=0,14 мВт
Определяем :
Выбираем резистивный материал для
всех резисторов - сплав РС-3001 (ЕТО.021.019.ТУ). rS=2 кОм/. Допустимая
удельная мощность рассеяния: P0=2 Вт/см2, температурный
коэффициент сопротивления ТКР=-0,2×10-4 1/°С
при T=-60¸125°C.
Данный материал является одним из
наиболее распространённых. Технология исполнения плёночных элементов на его
основе хорошо отлажена, что позволяет добиваться стабильной воспроизводимости.
Проверяем правильность выбранного
материала:
gR=gк,ф+gr s+gRT+gRНП+gR сопр
gRT=aR(Tmax
- 20°C);
gr
s=5%;gRНП=1%;gR
сопр=0,3%.
1)
gRT=0,21 %, gк,ф=0,1349>0
Определим коэффициенты формы резисторов: KФi=Ri/rS.
R1,4: KФ=4×103/1×10-3=4;
R2: KФ=5×10-3/1×10-3=5;
R3,: KФ=1,8×10-
3/1×10-3=1,8;
R5: KФ=2×10
-3/1×10-3=2;
R6: KФ=1,5×10
-3/1×10-3=1,5
По таблице 3.15 [1] определяем технологические
ограничения:
Dl=Db=0,01
мм
Расчет резисторов.(1≤Кф≤10)
bрасч ³
max{bтехн,bточн,bрас}
bрасч=0,1мм; bточн³(Db+Dl/KФ)/
gк,ф доп;
bрасчR(1)=0,15
мм;
Минимальная ширина резистора с точки зрения
рассеиваемой мощности:
р=0,01 мм, принимаем 0,5 мм.
Расчётная длина резисторов
определяется из соотношения:
расч=b*Кф;
расч R1,4=2 мм;
lрасч R2 = 2,5 мм.
lрасч R3= 0,9 мм.
lрасч R5=1 мм.
lрасч R6=0,75 мм.
Полная длина резистора с учётом
перекрытия контактных площадок:
полн=l+2e; e=0,1;
полн R1,4=2,2 мм;
lполн R2=2,7 мм.
lполн R3=1,1 мм.
lполн R5=1,2 мм
lполн R6=0,95 мм
С точки зрения конструкторской
оптимизации изделия, при изготовлении тонкоплёночных резисторов можно
использовать пропорциональное увеличение или уменьшение данных элементов (с
сохранением коэффициента формы).
.2 Расчет тонкопленочных
конденсаторов
С1=560 пФ; Up =5B; fраб=1 кГц;
Материал для напыления диэлектрика
выбираем из таблицы исходя из Up: моноокись германия (ГОСТ
19062-74), для напыления облаток: алюминий А99 (ГОСТ 11069-64).
rS=0,2 Ом/;
С0=1500 пФ/см2.
Диэлектрическая проницаемость при f=1 кГц e=11¸12.
Тангенс диэлектрических потерь при f=1 кГц tg d=0,005¸0,007.
Электрическая проницаемость Eпр=1×106 В/см.
Рабочая частота, не более fраб=300 МГц.
t=-60¸+125°C; ТКС=3×10 -4 1/°C.
Определяем min толщину
диэлектрика dmin и удельную
емкость C0V: dmin³K3×Up/Eпр. K3 - коэффициент
запаса электрической прочности (для пленочных конденсаторов K3=3).
=3×5/1×106=0,15×10-4см. C0V=0,0885×e/d=0,0885×12/0,15×10-4
=708пФ/мм2.
Температурная погрешность емкости:
gс+=aс(Tmax-20°C);
gс+=3×10-4(125-20)×100=3,15%
Допустимая погрешность активной
площади конденсатора: gSдоп=gс-gс0-gс+-gС стар.
gс=30%; gс0=5%; gс+=3,15%; gС стар=1%. gSдоп=20-5-3,15-1=10,85%>0
Минимальная удельная емкость, для
обеспечения точности изготовления напыленного по номиналу конденсатора:
0 точн=[gSдоп/(2DL)]2; DL=0,01 мм;
0 точн=680[0,1085/0,02]2=20×103 пФ/мм2.
Определяем, какова должна быть
удельная емкость напыленного по номиналу конденсатора с учетом технологических
возможностей изготовления по площади перекрытия облаток и толщине диэлектрика.
Зададим Smin=1мм2.
С0
min=Cmin/Smin=560/1=560 пФ/мм2.
С0£ min{C0 min ,C0 V , C0 точн}.
C0 min =560
пФ/мм2; C0 V=708 пФ/мм2;
C0 точн=20000
пФ/мм2.
Выбираем C0 min =560
пФ/мм2.
Определяем какая толщина диэлектрика
соответствует выбранной удельной емкости C0. d=0,0885e / C0=0,0885×12/68000=0,156×10-4 см, что
вполне приемлемо для тонкопленочной технологии.
Расчет конденсатора C1
2/ C0=580/560=1
мм2.
Коэффициент учитывающий краевой
эффект:
£C2/C0<5мм2 K=1,3-0,06×C2/C0
=1,3-0,06×1=1,24.
Площадь перекрытия облаток: S2= C2/ C0×K=1,3 мм2.
Определяем геометрические размеры
верхней облатки: Kф=1,
. 2=BH2=L+2q=1,1+2×0,2=1,7 мм.
Вычисляем размеры диэлектрика:
Lд2=Bд2=LH2+2f.
f - размер
перекрытия нижней облатки и диэлектрика: f=0,1.
д2=Bд2=1,5+2×0,1=1,9 мм.
Площадь диэлектрика конденсатора: Sд2=L д2× Bд2=1,92=3,6
мм2.
Проверка расчета: 1. tg dоб=0,8×106
tg dраб=0,066+0,8×10-6<0,03
. Рабочая напряженность
электрического поля Eраб не превышает Eпр
диэлектрика:
раб < Eпр
Eраб=Uраб/d=0,32×106 B/см<1×106 В/см.
.Погрешность активной площади
конденсатора не превышает допустимую: DL=0,01мм
gS раб£ gS
доп,
KФ=1.
; gS доп=gс -gсо
- gс+ - gс.ст.=10,85%.
Условие gS раб£ gS доп
выполняется.
4. Выбор навесных элементов
Для конструирования микросхемы по
электрической принципиальной схеме и анализу задания необходимо выбрать
навесной транзистор.
Выбор производится по следующим
факторам:
1) максимальный
ток коллектора, IK,max
2) максимум
мощности рассеиваемой на коллекторе транзистора PK,max
3) напряжение,
действующее на переходе коллектор - эмиттер
4) коэффициент
передачи по току h21э
5) диапазон
рабочих температур
5. Компоновка
Определим ориентировочную площадь платы по
формуле:
,
где K -
коэффициент запаса по площади. K=1,5. - площади, занимаемые всеми
резисторами, конденсаторами, контактными площадками; - площадь
навесных компонентов, которые не могут быть расположены над пленочными
элементами.
S=30 мм2.
Выбираем плату размером 10х8 мм.
Целесообразно применять подложку из сеситалла толщиной 0,6 мм. Для защиты
тонкопленочной ИС наиболее удобно применение металлостеклянного корпуса 1203
(151.15-4). Благодаря этому корпусу ГИМС является герметичной и защищенной от
попадания пыли и влаги.
6. Конструктивные меры защиты ИМС
Основным способом защиты ИМС от
воздействия дестабилизирующих факторов (температуры, влажности, радиации,
механических воздействий) является герметизация. Ее осуществляют с помощью
специально разработанных конструкций корпусов, в которых размещают ИМС. Либо
нанесением защитных материалов непосредственно на ИМС.
Корпус изготавливать из
металлического дна, металлической крышки, а также стеклянных деталей, в которые
впаяны металлические выводы. Дно также спаяно или скреплено со стеклом. Исходя
из размеров платы выбираем типовой корпус .
7. Расчет показателя надежности
Основным показателем надежности МС
является вероятность безотказной работы в течении определенного промежутка
времени: P(t=1000ч)=exp(-lt), l -
интенсивность отказов.
l=nlR+l1R+mlna1n×a2n+l×lnk×a1na2nk+klkc×a1kc×a2kc
,
где lR , lk , lnk , lkc - интенсивность
отказов резисторов, конденсаторов, навесных компонентов, контактных площадок:
lR =lnk =10-9 1/ч,
lkc=10-8 1/ч,
lk =0,5×10-8 1/ч;
n, m, l, k - число
соответствующих элементов. n=5, m=2, l=1, k=17. a1 и a2 -
поправочные коэффициенты. a1R=1,5; a1k=2; a1nk=a1c=1; a2R=0,23; a2nn=a2kc=0,2.
Тогда l=2,3×10-81/час.
Отсюда P(t=1000ч)=exp(-2,3×10-5)=0,999977.
Из расчета видно, что надежность МС удовлетворяет техническому заданию.
8. Выбор технологии изготовления
Для формирования конфигурации
проводящего, резистивного и диэлектрического слоев, используют различные
методы. Наибольшее распространение получили масочный и фотолитографический
методы. Для изготовления резистивных слоев будем использовать метод контактной
маски. При изготовлении МС создается сложность получения номинала резистора.
Точность при этом методе составляет ±10%.
Для изготовления проводящего слоя, контактных площадок используем
фотолитографический метод. Точность изготовления ±1%.
Масочный метод является дешевле, чем
фотолитографический, но не всегда удовлетворяет требованиям точности. Поэтому в
большинстве случаев методы формирования слоёв на подложке комбинируют.
В приложении представлены основные
этапы производства платы микросхемы комбинированным методом.
9. Выводы
микросхема электрический
резистор конденсатор
В процессе работы была
сконструирована ГИМС усилителя по выбранной схеме, что значительно уменьшило
габариты усилителя. Кроме миниатюризации к достоинствам сконструированной ГИМС
можно так же отнести устойчивость тепловых режимов, малое значение паразитных
параметров, значительно меньшее влияние параметров элементов друг на друга, а
также возможность серийного производства данной ГИМС. Так как тонкопленочная
технология является относительно новым разделом производства РЭА, схема имеет
ряд недостатков: большие допуски при изготовлении ИМС параметров элементов
после их напыления.
В процессе работы было выбрано
расположение элементов с учетом более компактного расположения. Был произведен
так же тепловой расчет с целью проверки теплового режима, а так же показателя
надежности.
Список литературы
1. Конструирование
и технология микросхем. Под ред. Л.А. Коледова - М.: “Высшая школа”, 1984г.
2. Разработка
и оформление конструкторской документации РЭА.: Справочник под ред. Э.Т.
Романычевой - М.: “Радио и связь”, 1989г.
3. Парфенов
О.Д. Технология микросхем. - М.: “Высшая школа”,1986г.