Конструювання ГИМС

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.


Нажми чтобы узнать.
скачати

Зміст
Вступ 4
1 Розробка плати ГИМС
1.1 Вибір матеріалів для підкладки, плівкових елементів і плівкових провідників 5
1.2 Вибір конструкції плівкових елементів і опис методики їх розрахунку 10
1.3 Розрахунок топологічних розмірів елементів 13
1.4 Вибір розміру плати та розробка топології плати 14
Висновок 19
Список використаних джерел 20
Програми
1 Додаток А. ГИМС. Схема електрична принципова.
2 Додаток Б. ГИМС. Топологічний креслення.
3 Додаток В. ГИМС. Креслення резистивного шару.

Введення
Завдання курсового проекту - розробка конструкції плати ГІС.
Використовуючи дані технічного завдання і принципову електричну схему, згідно з додатком А, необхідно розробити конструкцію плати гібридної ІМС, тобто:
1.1вибрать матеріали для підкладки, плівкових елементів і плівкових провідників;
1.2 вибрати конструкцію плівкових елементів;
1.3 розрахувати топологічні розміри плівкових елементів;
1.4 вибрати розмір плати та розробити топологію плати;
1.5 розробити необхідну конструкторську документацію.
У технічному завданні дана принципова електрична схема пристрою.
Електрична схема включає в себе 13 резисторів R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13 з наступними характеристиками
R = 1100:12000 Ом, γ R = 15%, P = 10:25 мВт. Також дана схема має навісні елементи: 9 транзисторів і 1 мікросхему, що мають гнучкі дротяні виведення, виконані із золота діаметром 40 мкм. Метод збирання - термокомпрессіонная зварювання.
Тонкі плівки формують методом термовакуумного напилення за допомогою методу вільної маски.
Дана гібридна ІМС є малопотужної і має невеликий швидкодію. Виходячи з цього, вибирають матеріали елементів схеми.
При виборі резистивного матеріалу слід враховувати, що α R <= 2 * 10 -4 1 / º С, γ R ст <= 3%, а елементи повинні мати оптимальні розміри.
Наступним етапом є вибір конструкції елементів, які ми будемо розташовувати на платі. Обрана конструкція повинна відповідати обраним параметрам елементів. Далі виконуємо розрахунок розмірів плівкових елементів схеми, вибір розміру плати за формулою і розробку топології плати.
1.1 Вибір матеріалів для підкладки, плівкових елементів і плівкових провідників
Підложки ГІС служать підставою для розташування плівкових і навісних елементів, а також для відводу тепла. Для виготовлення підкладок ГІС застосовують матеріали, наведені в таблиці 1.1
Таблиця 1.1 Електрофізичні параметри підкладок ГІС
Параметри
Матеріали
Скло
Сіталл
СТ50-1
Плавлений
Кварц
Кераміка
C 41-1
C 48-3
22ХС
(96% Al 2 О 3)
Полікор
1
2
3
4
5
6
7
Клас чистоти обробки поверхні
14
14
13-14
14
12
12-14
Температурний коефіцієнт лінійного розширення ТКЛР при Т = 20 ÷ 300 º С
(41 ± 2) ** 10 ˉ 7
(48 ± 2) ** 10 ˉ 7
(50 ± 2) * 10 ˉ 7
(55 ± 2) * 10 ˉ 7
(60 ± 2) ** 10 ˉ 7
(70 ± 2) * 10 ˉ 7
Коефіцієнт теплопровідності, Вт / (м * º С)
1
1,5
1,5
7-15
10
30-45
Діелектрична проникність при f = 10 6 Гц і Т = 20 º С
7,5
3,2-8
5-8,5
3,8
10,3
10,5
Тангенс кута діелектричних втрат при f = 10 6 Гц і Т = 20 º С
20 * 10 ˉ 4
15 * 10 ˉ 4
20 * 10 ˉ 4
-
6 * 10 ˉ 4
10 * 10 ˉ 4
Об'ємний опір при Т = 25 º С, Ом * Див
17 жовтня
14 жовтня
-
15 жовтня
-
-
Електрична міцність, кВ / мм
40
40
-
-
50
-
До матеріалу підкладки незалежно від конструкції і призначення мікросхеми висувають такі вимоги:
1. висока якість обробки робочої поверхні, забезпечують чіткість і міцність малюнка схеми;
2. висока механічна міцність при відносно невеликій товщині;
3. мінімальна пористість;
4. висока теплопровідність;
5. хімічна стійкість;
6. високий питомий опір;
7. близькість коефіцієнтів термічного розширення підкладки і наносяться на неї плівок;
8. низька вартість вихідного матеріалу і технології його обробки.
Недоліком кераміки є значна шорсткість поверхні, що ускладнює отримання відтворюваних номіналів тонкоплівкових елементів. З цієї причини кераміку 22ХС використовують тільки для товстоплівкових ГІС. Збільшення класу чистоти обробки поверхні шляхом глазурования кераміки шаром бесщелочного скла призводить до значного зменшення теплопровідності.
Для малопотужних ГІС можна застосовувати бесщелочного боросилікатне скла С41-1 і С48-3, а також ситалли. Стекла мають низьку теплопровідність. Сіталл в 2-3 рази міцніше за скло. Так само він добре обробляється, витримує різкі перепади температури, володіє високим електричним опором, газонепроникної, має високу опірність до стирання, високу хімічну стійкість до кислот, дуже малу пористість, дає незначну об'ємну усадку, має малу газоотдача при високих температурах.
З наведених вище матеріалів підкладок я вибрав ситалл, так як він більше за інших відповідає вимогам, що пред'являються до подложкам. Сіталл - склокерамічних матеріал, одержуваний термообробкою скла. Він досить легко піддається обробці: його можна пресувати, витягати, прокатувати і відливати відцентровим способом.
Плівкові резистори конструктивно складаються з резистивної плівки певної конфігурації і контактних майданчиків відповідно до додатка В. Параметри тонкоплівкових резисторів визначаються властивостями застосовуваних резистивних матеріалів, товщиною резистивної плівки і умовами її формування. Для створення ГІС необхідні резистивні плівки з питомим поверхневим опором ρ S від десятків до десятків тисяч Ом на квадрат. Чим менше товщина плівок, тим вище ρ S, але одночасно підвищується ТКР, а також погіршується тимчасова і температурна стабільність плівок.
Як резистивних матеріалів використовують чисті метали і сплави з високим електричним опором, а також спеціальні резистивні матеріали - кермети, які складаються з часток металу і діелектрика. Широко поширені плівки хрому і танталу. Із сплавів часто використовують ніхром, що має мале значення ρ S в порівнянні з плівками чистих металів. При порівняно малому ТКР і високої стабільності відтворення питомих поверхневих опорів діапазон номіналів сплавів ρ S достатньо
широкий: 50 Ом / □ - 50 кОм / □. Параметри резистивних матеріалів представлені в таблиці 1.2.
Таблиця 1.2 Параметри матеріалів плівкових резисторів
Матеріал
резисторів
Матеріал
контактних
майданчиків
ρ S
Ом /
ά Rmax
* 10 4
P 0, Вт / см 2
γ R ст.,%
Спосіб
нанесення
плівок
Хром
Мідь
500
0.6
1
1.5
Термічне
напилення
Ніхром
мідь
300
± 1
2
1.1-1.3
Сплав
МЛТ-3М
Мідь із
подслоем
ніхрому
500
± 2
2
± 0.5
Реній
-
300-7000
0-20
-
Тантал
Тантал
10
-2
3
1
Термічне
напилення
РС-3001
Золото з
подслоем
ніхрому
1000-2000
-0,2
2
0,5
Нітрид Та
200
0
3
0.2
До плівковим резисторам пред'являються наступні основні вимоги:
1. стабільність у часі;
2. мала площа на підкладці;
3. низький температурний коефіцієнт опору;
4. необхідна потужність розсіювання;
5. низький рівень шумів;
6. малі значення паразитних параметрів.
У технічному завданні є резистори з наступними характеристиками: R = 1100:12000 Ом, γ R = 15%, P = 10:25 мВт. Найбільш часто для матеріалів резисторів використовують хром, ніхром, тантал, нітрид танталу, сплави МЛТ-3М і РС-3001. Ніхром, тантал і нітрид танталу мають невелике значення ρ s: не більше 300 Ом / □, що при моєму інтервалі опорів дасть великі геометричні розміри елементів. У хрому значення Р 0 = 1Вт/см, що збільшить значення b p, а значить
і розміри моїх резисторів. Сплав МЛТ-3М має ρ s всього 500 Ом / □,
а РС-3001 - 1000 ÷ 2000 Ом / □, що дасть мені можливість отримати резистори з оптимальними розмірами. Так само РС-3001 має значення γ R ст всього 0.5%.
У силу наведених вище переваг я вибрав сплав РС-3001.
Елементи плівковою ГІС об'єднуються в єдину систему за допомогою системи плівкових комутаційних провідників, які в місцях з'єднання з іншими плівковими елементами утворюють контактні пари. Контактні майданчики в ГІС необхідні для приєднання зовнішніх висновків ГІС та висновків навісних елементів.
До провідникам пред'являється маса вимог: вони повинні з мінімальними втратами проводити напруга живлення до функціональних компонентів ГІС, з мінімальними спотвореннями передавати сигнали, забезпечувати надійний контакт з елементами гібридної інтегральної схеми. Вимоги, що пред'являються до плівкових провідникам і контактних площадок, в ряді випадків є суперечливими. Наприклад, зі збільшенням ширини провідника зменшується індуктивність, але росте ємність щодо прилеглих елементів.
При виготовленні комутаційних з'єднань і контактних майданчиків тонкоплівкової ГІС часто застосовують багатошарову структуру, що складається з підшару, струмопровідного і захисного шарів. Підшар, що виконується з ніхрому, хрому, ванадію та інших матеріалів, покращує адгезію струмопровідних шарів з підкладкою. Для провідних шарів добре підходять золото, мідь, тантал, Al. Верхній шар багатошарової структури виконується з нікелю, срібла і служить для захисту від зовнішніх впливів. Для захисту провідників і контактних площадок іноді проводять їх облуживание припоєм. З провідних матеріалів часто застосовуються золото, мідь, алюміній. Золото - дуже дорогий матюкав, так само він вимагає нанесення підшару з ніхрому, його використовують в мікросхемах підвищеної надійності, в моєму ж випадку це не обов'язково. Мідь для захисту від корозії потрібно обов'язково покривати шаром золота, нікелю чи срібла, що підвищить вартість. Для пайки мідні контактні майданчики облужівают зануренням схеми в припой, але тоді треба захищати інші плівкові елементи. В якості матеріалу провідників я вибрав алюміній. Він володіє високою корозійною стійкістю, нікелюють його тільки для пайки. У моєму випадку приєднання висновків здійснюється зварюванням, а тому алюміній я можу використовувати без додаткових шарів. Так само він дешевий, широко поширений. Відповідно до таблиці 1.2 матеріалом контактних майданчиків для РС-3001 є структура: золото з подслоем ніхрому. Так як я для цієї мети використовую алюміній, я зобов'язаний збільшити значення γ R До   на 1%.
1.2 Вибір конструкції плівкових елементів і опис методики їх розрахунку
1.2.1 Резистор.
Плівковий резистор конструктивно складається з резистивної плівки, що має певну конфігурацію, і контактних майданчиків. На малюнку 1.1 представлені найбільш уживані їх конфігурації: на малюнку 1.1 а - резистор прямокутної форми, що підходить для резисторів з невеликим опором і коефіцієнтом форми менше 10, на малюнку 1.1 б - резистор типу меандр. Дану конфігурацію використовують для резисторів з великим опором і коефіцієнтом форми більше 10. У всіх конфігураціях відсутні похилі криві лінії різних радіусів, тому виготовлення фотошаблонів резистивних шарів ГІС істотно спрощується.
1.2.3 Опис методики розрахунку резистора
Конструктивний розрахунок тонкоплівкових резисторів полягає у визначенні форми, геометричних розмірів і мінімальної площі, займаної резисторами на підкладці. При цьому необхідно, щоб резистори забезпечували розсіювання заданої потужності при задоволенні необхідної точності γ R в умовах існуючих технологічних можливостей.
Порядок розрахунку резистора прямокутної форми
Розрахуємо коефіцієнт форми К ф за формулою (1.1)
К ф = (1.1)
де R - номінальне значення опору, Ом;
ρ S - поверхневий опір матеріалу, Ом / □.
Розрахуємо мінімальну ширину резистора b р, мм, при якій забезпечується задана потужність за формулою (1.2)
b р = (1.2)
де Р - потужність, Вт;
Р 0-граничне значення питомої потужності розсіювання, Вт / см 2.
Розрахуємо температурну похибка γ Rt,%, за формулою (1.3)
γ Rt = ά R * (t max - 20 ° C ) * 100% (1.3)
де ά R - Температурний коефіцієнт опору, 1 / ° С;
t max - Температурний діапазон, ° С.
Розрахуємо відносну похибку коефіцієнта форми γ Кф max,%, за формулою (1.4)
γ Кф max = γ R - Γ ρs - γ Rt - γ Rk - γ R ст (1.4)
де γ R - Відносна похибка опору,%;
γ ρs - Відносна похибка формування поверхневого опору,%;
γ Rt - Температурна похибка,%;
γ Rk - Похибка опору контактної області,%;
γ R ст - відносна похибка опору,%.
Розрахуємо мінімальну ширину резистора b точн, мм, обумовлену точністю відтворення, за формулою (1.5)
b точн = (1.5)
де Δl, Δb - абсолютна похибка формування геометричних розмірів, мм;
Вибираємо ширину резистора не менше найбільшого з трьох значень b техн, b P, b точн за формулою (1.6)
b> = max (b техн; b P; b точн) (1.6)
де b техн - роздільна здатність методу формування плівки, мм.
Розрахуємо робочу довжину резистора l, мм, за формулою (1.7)
l = b * К Ф (1.7)
Розрахуємо повну довжину резистивної плівки l 0, мм, за формулою (1.8)
l 0 = l + 2 * l 1 (1.8)
де l 1 - величина перекриття резистивної і проводить плівок, мм.
Площа S, мм, займана резистором розраховується за формулою (1.9)
S = b * l 0 (1.9)
1.3 Розрахунок топологічних розмірів елементів
1.3.1 Розрахунок топологічних розмірів резисторів
У результаті проведення розрахунків у мене вийшло 13 резисторів прямокутної форми, ескіз якого наведено на малюнку 1.1 а. Результати розрахунку резисторів наведені в таблиці 1.4.
Таблиця 1.4 Результати розрахунку резисторів.
Найменування
елемента
До Ф
b P
мм
γ Rt
%
γ Кф max
%
b тих
мм
b точн
мм
b
мм
l
мм
l 0
мм
S
мм 2
R1
1
0,7
2.1
8,4
0,2
0,48
0,8
0,8
1,3
0,91
R2
2.5
0,45
2.1
8.4
0,2
0,33
0,45
1,13
1,73
0,78
R3
5.1
0.31
2.1
8.4
0,2
0,29
0,35
1,8
2,4
0,84
R4
3
0,5
2.1
8.4
0,2
0,32
0,5
1,5
2,1
1,05
R5
7.3
0,37
2.1
8.4
0,2
0,27
0,4
2,9
3,5
1,4
R6
11
0,34
2.1
8.4
0,2
0,5
0,5
5,5
6,1
3,05
R7
6.5
0,39
2.1
8.4
0,2
0,27
0,4
2,6
3,2
1,28
R8
1
0,7
2.1
8,4
0,2
0,48
0,8
0,8
1,3
0,91
R9
5.1
0.31
2.1
8.4
0,2
0,29
0,35
1,8
2,4
0,84
R10
3
0,5
2.1
8.4
0,2
0,32
0,5
1,5
2,1
1,05
R11
6.5
0,39
2.1
8.4
0,2
0,27
0,4
2,6
3,2
1,28
R12
7.3
0,37
2.1
8.4
0,2
0,27
0,4
2,9
3,5
1,4
R13
2.5
0,45
2.1
8.4
0,2
0,33
0,45
1,13
1,73
0,78
1.4 Вибір розміру плати та розробка топології плати
При розробці топології ГІС, згідно з додатком Б, за основу приймається принципова електрична схема, перетворена з урахуванням конструктивних особливостей плівкових і навісних елементів, а також межсоединений.
У ГІС перетину провідників здійснюються двома способами: через діелектрик і під дротяними висновками активних елементів. У першому випадку два провідника, в місці їх перетину, поділяються шаром діелектрика, але за рахунок цього з'являються значні паразитні ємності, тому частіше користуються другим методом, коли провідники проходять під висновками навісних елементів.
На топологічному кресленні плату зображують зі всіма нанесеними на неї шарами, із зазначенням позиційних зображень елементів відповідно до принципової електричної схеми. Кожен шар позначають відповідної штрихуванням. Контактні майданчики нумеруються, починаючи з лівого нижнього кута креслення.
При конструюванні ГІС необхідно виконувати загальні правила і обмеження:
1. навісні компоненти рекомендується по можливості розташовувати рядами, паралельними сторонам плати;
2. не допускається встановлення навісних компонентів на плівкові конденсатори, плівкові індуктивності і перетину плівкових провідників;
3. не допускаються різкі вигини і натяг дротяних провідників. Не рекомендується робити перегин дротяного виводу через навісний компонент;
4. не допускається залишати незакріпленими ділянки гнучких висновків завдовжки більше 3 мм ;
5. дротові виведення навісних елементів треба намагатися проводити якомога далі один від одного, так як вони не натягнуті і можуть стикнутися, викликавши тим самим коротке замикання.
Топологічний ескіз моєї ГІС має такі особливості:
- Найбільший навісний елемент - ІМС - розташований у лівому верхньому куті;
- Три транзистори VT5, VT6, VT9 розташовані в лівому нижньому кутку, в ряд;
- Транзистори VT1, VT2, VT3, VT4 розташовані групою у правому верхньому кутку;
- Найбільший резистор R6 розташований в центрі плати, вертикально;
- Контактних майданчиків 14, з них 9 розташовані на верхній стороні плати, 5 - на нижній.
Площа плати розраховують за формулою (1.33)
S = K * ( + + + * N) (1.33)
де К - коефіцієнт використання площі плати, 2 - 3;
S Ri - площа i-го резистивного елемента;
S Ci - Площа i-го ємнісного елемента;
S ае - площа навісного елемента;
S кп-площа контактної площадки;
n - число контактних майданчиків;
n, m, k - число резисторів, плівкових конденсаторів, і навісних компонентів.
У результаті розрахунку топології тонкоплівкової ГІС даної електричної схеми за формулою (1.33) виходить:
S = 3 * (15,57 +18 +2,8) = 109,11 мм 2
Плата вибирається та, площа якої найбільш близька до розрахованій сумі S. Відповідно до результатів розрахунку S за таблицею 1.6 мене підходять плати № 10 і № 15, їх площа дорівнює S = 120мм 2. Але при розробці топологічного ескізу я зіткнувся з проблемою браку місця для розташування на платі всіх елементів і подальшого їх з'єднання. Це пов'язано з особливостями схеми: елементи з'єднуються таким чином, що неможливо забезпечити мінімальну довжину плівкових провідників, а значить, провідники будуть займати занадто велику площу. Щоб забезпечити розташування всіх елементів я вибрав більшу плату з площею 192мм 2. Це плата № 8, що має розміри 12 * 16мм. Дані розміри дозволили забезпечити оптимальне розташування елементів на платі.
Таблиця 1.6 Типорозміри плат ГІС (розміри, мм)
№ типорозміру
Ширина
Довжина
№ типорозміру
Ширина
Довжина
№ типорозміру
Ширина
Довжина
№ типорозміру
Ширина
Довжина
1
96
120
6
20
24
11
5
6
16
8
10
2
60
96
7
16
20
12
2,5
4
17
24
60
3
48
60
8
12
16
13
16
60
18
15
48
4
30
48
9
10
16
14
32
60
19
20
45
5
24
30
10
10
12
15
8
15
_
_
_
При проектуванні ГІС треба виконувати основні конструктивні та технологічні обмеження, наведені в таблиці 1.7. Так само слід виконувати загальні правила і обмеження:
1. в одній мікросхемі слід застосовувати навісні компоненти з однаковим діаметром і матеріалом гнучких висновків;
2. навісні компоненти рекомендується по можливості розташовувати рядами, паралельними сторонам плати;
3. не допускається встановлення навісних компонентів на плівкові конденсатори, індуктивності;
4. не допускаються різкі вигини і натягу дротяних провідників.
Таблиця 1.7 Конструктивно-технологічні обмеження ГІС
Зміст обмеження
Розмір обмеження, мм
Мінімально допустимий розмір резистора, мм
b
l
0,1
0,3
Мінімально допустимі відстані між плівковими елементами, розташованими в одному шарі
0,3
Максимально допустима відстань між плівковими елементами, розташованими в різних шарах
0,2
Перекриття для поєднання плівкових елементів, розташовані в різних шарах
0,2
Мінімальна відстань від плівкових елементів до краю плати
0,5
Мінімальна ширина плівкових провідників
0,1
Мінімально допустима відстань між краєм плівкового резистора і краєм його контактної площадки
0,2
Мінімально допустима відстань:
між краями діелектрика і нижньої обкладки конденсатора
0,1
Між краями верхньої та нижньої обкладок конденсатора
0,2
Між краєм діелектрика і з'єднанням виведення конденсатора з іншим плівковим елементом
0,3
Між краєм діелектрика і нижньої обкладкою конденсатора в місці виведення верхньої обкладки
0,2
Від плівкового конденсатора до приклеюються навісних компонентів
0,5
Мінімальна площа перекриття обкладок конденсатора
0,5 * 0,5
Мінімальні відстані від краю навісного компонента, до:
Краю іншого компонента
0,4
Краї навісного пасивного компонента
0,6

Висновок
У ході розробки курсового проекту зроблено наступне:
1. обраний матеріал для підкладки, резисторів і контактних майданчиків (вибір матеріалів був зроблений у відповідності з наведеними таблицями).
2. обрані конструкції елементів і наведений опис методики їх розрахунку;
3. розроблені ескізи конструкцій, наведені результати розрахунків топологічних розмірів елементів;
4. зроблений розрахунок площі плати, обрана плати з таблиці типорозмірів плат ГІС.
У графічній частині наведені:
1. схема електрична принципова (формат А3);
2. топологічний креслення (формат А1);
3. топологічний креслення резистивного шару (формат А1);
У результаті курсового проекту була складена документація, на закінчення якої були перераховані джерела використаної літератури.
Список використаних джерел
Коледов Л.А. Конструювання і технологія мікросхем: підручник.
М.: Вища школа, 1984.-231с.
Миколаїв І.М. Інтегральні мікросхеми та основи їх проектування: підручник. М.: Радіо і зв'язок, 1992.-424с.
Малишева І.А. Технологія виробництва інтегральних мікросхем: підручник М.: Радіо і зв'язок, 1991.-344с.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Курсова
158.3кб. | скачати


Схожі роботи:
Конструювання
Конструювання антен
Конструювання одягу 2
Конструювання одягу
Конструювання насильства
Конструювання машин
Конструювання мікросхем
Конструювання ЕВС
Основи конструювання
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru