Розробка вимірювача вологості

ЗМІСТ

1. Вступний розділ

1. Введення

2. Аналіз технічного завдання

3. Аналіз поняття "вологість" і вибір методу для її вимірювання

4. Мас-чутливі пьезорезонансние датчики

2. Схемотехнічні розділ

   1. Розробка структурної схеми

   2. Розробка функціональної схеми

   3. Розробка принципової електричної схеми

3. Дослідно-експериментальний розділ

4. Технологічний розділ

   1. Аналіз

   2. Обгрунтування вибору матеріалів

   3. Формування тонких плівок методом термовакуумного напилення

   4. Методи формування тонкоплівкових структур

   5. Розробка технологічного процесу виготовлення ГІС

   6. Випробування

5. Розрахунково-конструкторський розділ

   1. Методика розрахунку конструкції тонкоплівкових елементів

   2. Числовий розрахунок плівкових елементів

   3. Конструктивні заходи захисту ГІС від впливу дестабілізуючих факторів

   4. Забезпечення надійності ГІС

6. Організаційно - економічний розділ

7. Охорона праці

8. Висновок

Список літератури

1. Вступний розділ

1.1 Введення

Сьогодні роль і значення приладів для контролю вологості в різних процесах загальновідомі: практично немає галузі народного господарства, розділу науки і техніки, де б не було потрібно контролювати вологість газових середовищ.

Але при всіх цих потребах стан на ринку приладів для контролю вологості не залишає впевненості в задовільному стані. Багато датчики і прилади, які використовуються споживачами, далеко не задовольняють потребам сучасного рівня розвитку техніки, інші є незручними, громіздкими або дорогими.

На даному етапі в усьому світі в цілому і в нашій країні, зокрема, посилюється тенденція до широкого впровадження автоматизації та комп'ютеризації в різні сфери людської діяльності. Провідне місце в цьому займають сучасні технологічні процеси виробництва. Тут і виникає необхідність в автоматизації процесів вимірювання вологості газових середовищ, обробки результатів з використанням ЕОМ або спеціальних пристроїв управління технологічними процесами.

Автоматизований контроль за рівнем вологості може багато в чому визначати якість майбутнього виробу. Наприклад, існує статистика, що якість технологічного процесу і працездатність інтегральних мікросхем і микросборок в сильному ступені залежить від рівня вологості всередині корпусу, яка потрапляє туди внаслідок поганої герметизації або виділяється з складових мікросхему матеріалів. Мініатюрний датчик ж дозволить організувати контроль рівня вологості всередині корпусу мікросхеми, що дає можливість з досить високою ймовірністю визначити залишковий час роботи мікросхеми, вчасно попередити її відмову або виявити шлюб.

Сміливо, можна сказати, що автоматичні малогабаритні датчики і прилади для контролю вологості в газових середовищах є дуже важливою сходинкою у розвитку та автоматизації виробництва, підвищують його якість і продуктивність.

Метою даної роботи є створення саме такого автоматичного малогабаритного вимірника для контролю рівня вологості технологічних середовищ.

1.2 Аналіз технічного завдання

У ході виконання дипломної роботи необхідно розробити методику вимірювання вологості газових середовищ, схему, конструкцію і технологію виготовлення модуля вимірювача на основі ГІС.

Необхідно вирішити такі завдання:

1. розібрати поняття "вологість";

2. вибрати метод вимірювання;

3. вибрати датчик;

4. розробити стабільну схему вимірювача;

5. по макету дослідити зміну параметрів схеми від вологості газового середовища;

6. за результатами дослідження погодити схему;

7. вибрати матеріали для виготовлення ГІС;

8. розібрати методи і технологію виготовлення ГІС;

9. розібрати методику випробувань вимірювача;

10. провести розрахунок елементів ГІС;

11. розробити конструкцію ГІС;

12. розробити заходи захисту від впливу дестабілізуючих чинників;

13. розрахувати надійність ГІС;

14. побудувати мережевий графік і розрахувати економічні показники;

15. розробити розділ "Охорона праці".

Вимірювач повинен працювати в діапазоні температур 5 ... 40 ° С,

в діапазоні вологостей 10 ... 100%.

Похибка вимірювання вологості повинна бути не більше 5%.

1.3Аналіз поняття "вологість" і вибір методу для її вимірювання

"Вологість повітря" - якісне поняття, що відображає присутність в газовому середовищі газоподібного води. Кількісно вологість газів висловлюють величинами вологовмісту і влагосостоянія [1].

Фізична сутність поняття "вологість газів" стає зрозумілою, коли звернути увагу, що вимірювання, пов'язані з присутністю вологи в газовому середовищі, фактично діляться на два види:

Перший - вологовміст: оцінка складу вологого газу як газової суміші, де визначальним компонентом є вода;

Другий - влагосостояніе: оцінка термодинамічних властивостей водяної пари, що міститься у вологому газі.

Виділення двох названих видів вимірювань пов'язано, перш за все, з тим, що волога в газовому середовищі може розглядатися як газ і як пара.

У першому випадку, об'єктом вимірювання є безпосередньо вологий газ - звичайна бінарна газова суміш, що складається з газоподібної води та сухого газу, а кінцева мета вимірювань при цьому полягає у встановленні масової, молярної і об'ємною часткою і відносин, масової та молярної концентрації. При цьому необхідно поділ аналізованого середовища на два основних компоненти: вологу і сухий газ.

У другому випадку, об'єктом вимірювання є не вологий газ, як у першому випадку, а тільки що міститься в ньому пар. Кінцева мета вимірювань при цьому у встановленні відносного термодинамічного стану водяної пари - відносної вологості. Він володіє найбільшою ефективністю, так як не потребує руйнуванні аналізованого середовища.

Кожен з видів вимірювання має багато методів вимірювання вологості. У даній роботі обрано сорбційно-частотний метод вимірювання величини влагосостоянія.

Сорбційно-частотний метод заснований на залежності власних коливань пьезокварцевого пластини при сталому гідродинамічному рівновазі між водяною парою вологого газу і насиченим розчином сорбенту, обложеного на її поверхні, від влагосостоянія аналізованого середовища. Даний метод дозволяє з високою точністю контролювати рівень вологості, що визначається сильною залежністю власної частоти коливань кварцовою пластини від збільшення її маси, яка зростає при адсорбірованіі парів води з навколишнього середовища на поверхні цієї пластини. Тобто в роботі в якості датчика обраний мас-чутливий пьезорезонансний датчик.

1.4 Мас-чутливі пьезорезонансние датчики

Мас-чутливі резонатори виконуються з тонких пластин або лінз кварцу температурно-незалежного АТ-зрізу. У резонаторах збуджуються коливання зсуву по товщині. Приєднувана маса може наноситися з однієї або з двох сторін, як на електроди, так і на периферію резонатора. Нарощування маси, тобто сорбція речовини, може відбуватися по-різному і носити як незворотний, так і оборотний характер. Наприклад, при відпрацюванні технології процесів напилення в установці врівень з поверхнею, на яку проводиться напилення, поміщається пьезорезонатор-товщинометрії, що дозволяє безперервно контролювати процес по зміні частоти пьезорезонатора в залежності від товщини напилення на нього плівки. У гігрометри і газоанализаторах пьезорезонатори покриваються спеціальними сорбційними покриттями, які утримують досліджувану речовину. Так, вимірювальний резонатор гігрометра покривається тонкою (3 × 10 ^-7 мкм) плівкою оксидів кремнію [2]. Після вимірювання резонатор може бути "висушений", тобто відбувається десорбція речовини.

Зв'язок частоти з товщиною h `і щільністю r` приєднується матеріалу визначається в першому наближенні формулою:

D f / f = - r `h` / (r h), (1.1)

де r та h - щільність і товщина пьезоелемента.

Якщо припустити, що досліджувана речовина сорбується по всій поверхні дискового резонатора, то з цієї формули слід:

D f / f = - D m / m, (1.2)

де m - маса резонатора.

Очевидно, що відносне збільшення маси може реєструватися з тією ж роздільною здатністю, що і відносне зміна частоти, тобто 10 ^-6 -10 ^-7. Для кварцових резонаторів товщиною h = 0,1 мм мінімальні реєстровані збільшення маси на одиницю поверхні D m = (10 ^-6 ¸ 10 ^-7) r h = (10 ^-6 ¸ 10 ^-7) 2,65 × 0,01 = 2 , 65 (10 ^-8 ¸ 10 ^-9) г / см ² [2]. Однак така висока роздільна здатність може бути реалізована тільки при термостабілізації резонаторів на рівні ± 0,1 ° С, так як для резонаторів АТ-зрізу ТКЧ складає приблизно 2 × 10 ^-6 К ^-1. Максимальна приєднується маса не повинна перевищувати 2 × 10 ^-3 г / см ^2, і товщина плівок повинна бути не більше 1 - 2 мкм, у противному випадку різко падає добротність резонатора, що призводить до нестабільності і великий похибки вимірювання.

У роботі використовується температурно-незалежний кварцовий резонатор, вкритий тонким шаром оксиду кремнію (SiO). Він є основною частиною датчика, інформація якого, згодом, повинна бути перетворена та проаналізовано відповідними пристроями.

2. Схемотехнічні РОЗДІЛ

2.1 Розробка структурної схеми

Розроблюване пристрій призначений для обробки даних, що надходять з п'єзодатчика. Цими даними є зміни власної частоти коливань кварцовою пластини в залежності від маси води адсорбуються на її поверхні, яка, у свою чергу, і визначає рівень вологості в тому середовищі, де знаходиться кварц. По різниці власних частот коливань можна говорити про влагосостояніі середовища. Щоб врахувати цю зміну, можна використовувати кварцову пластину в Як задає елемента в кварцовому генераторі. Це дозволяє привести зміна власної частоти коливань пластини до зміни частоти коливань генератора.

Далі необхідно проаналізувати зміну частоти генератора, тобто необхідно підрахувати різницю між частотою коливань кварцового генератора в сухий і у вологому середовищі. Так як частота пропорційна кількості імпульсів за певний час, то при зміні частоти кварцового генератора і підрахунку певної кількості імпульсів, отримуємо різний час їх рахунки. Тому встановимо програмований дільник для накопичення імпульсів. Дільник буде управлятися мікропроцесором. На початку підрахунку він скидається сигналом від мікропроцесора. При накопиченні імпульсів в дільнику мікропроцесор контролює час накопичення по таймеру, і як тільки дільник сформує вихідний імпульс, видається сигнал процесору і він фіксує час накопичення. Далі за різницею опорного і фактичного часу накопичення можна говорити про певний рівень вологості в тій чи іншій газовому середовищі.

Проаналізувавши можливі технічні рішення, була розроблена структурна схема, представлена ​​на рис. 2.1 або [2008-00-992.01.00 Е1].

Рис. 2.1 Структурна схема пристрою

2.2 Розробка функціональної схеми

У відповідності зі структурною схемою, представленої вище, була розроблена наступна функціональна схема пристрою (рис. 2.2) або [2008-00-992.02.00 Е2].

Рис. 2.2 Функціональна схема пристрою

До його складу входять:

• кварцовий генератор, виконаний на логічних елементах;

• дільник;

• мікропроцесор, призначений для підрахунку часу накопичених в дільнику імпульсів, його управління, обробки і виведення даних.

2.3 Розробка принципової схеми пристрою

Кварцовий генератор

Основною частиною розроблювального пристрою є кварцовий генератор, принципова схема якого наведена на рис. 2.3.

ZQ1 - кварцовий резонатор РК17С на 4 МГц;

C1 - конденсатор 120пФ ± 10%;

R1, R2 - резистор 0,125 - 2,5 кОм ± 10%;

DD1 - ІС 133ЛА3.

Рис. 2.3 Схема електрична принципова (кварцовий генератор)

Задає елементом генератора є кварц. Основне завдання генератора - перетворення власної частоти коливань кварцу в частоту коливань генератора, так що при зміні власної частоти коливань кварцовою пластини в залежності від рівня вологості змінюється і частота генератора.

Пристрій обробки даних

Відповідно до функціональної схемою були обрані:

• в якості подільника - мікросхема 555ПЦ1:

Керований дільник частоти [3]. Дозволяє ділити вхідні частоту в 2 ^N раз (N = 2 .... 31). Значення N задається в двійковому паралельному коді на вході E = (E16, E8, E4, E2, E1). Вхідний сигнал подають на один з тактових (інформаційних) виходів С1, С2. На вільному виході С при цьому встановлюють рівень логічного "0". У разі якщо E16 = E8 = E4 = E2 = E1 = 0 і E16 = E8 = E4 = E2 = 0 і E1 = 1, розподілу немає. Обнуляється дільник при R = 0, в режимі поділу R = 1.

• в якості мікропроцесора - PIC контролер - 16С84:

PIC16C84 відноситься до сімейства КМОП мікроконтролерів. Відрізняється тим, що має внутрішнє 1К х 14біт EEPROM для програм, 8-бітові дані і 64 байт EEPROM пам'яті даних. При цьому відрізняється низькою вартістю і високою продуктивністю. Усі команди складаються з одного слова (14 біт шириною) і виконуються за один цикл (400 нс при 10 МГц), крім команд переходу, які виконуються за два цикли (800 нс). PIC16C84 має переривання, що спрацьовує від чотирьох джерел, і восьміуровневий апаратний стек. Периферія містить у собі 8-бітний таймер-лічильник з 8-бітним програмованим попередніми дільником (фактично 16-бітний таймер) і 13 ліній двонаправленого введення / виводу. Висока здатність навантаження (25 мА макс. Втікають струм, 20 мА макс. Випливає струм) ліній вводу / виводу спрощують зовнішні драйвери і, тим самим, зменшується загальна вартість системи. Малі розміри корпусів, як для звичайного, так і для поверхневого монтажу, робить цю серію мікроконтролерів придатної для портативних додатків. Низька ціна, економічність, швидкодія, простота використання і гнучкість введення / виводу робить PIC16C84 привабливим навіть у тих областях, де раніше не застосовувалися мікроконтролери.

Електрична принципова схема вимірювача представлена ​​на [2008-00-992.03.00 Е3].

Час заповнення дільника при розподілі на 2 ²¹ (час рахунку »0,5 с) при частоті кварцового генератора 4 МГЦ одно: 0,25 х 10 ^-6 х 2 ²¹ = 524288 мкс. За цей час таймер мікроконтролера встиг би збільшити значення до 1310720 одиниць. Але таймер 8-бітний і максимально накопичує 255 імпульсів. Тобто за цей час таймер здійснює декілька циклів (накопичує і скидає). Число циклів одно 5140. Після повного заповнення дільника на його виході формується імпульс переривання, який зупиняє таймер контролера. Значення таймера і буде результативним числом. Далі результати заноситься в пам'ять контролера. Після накопичення 16-ти результатів відбувається їх усереднення. У спеціально виділеної області пам'яті зберігається таблиця відповідності зміни частоти і вологості газового середовища, де і вибирається необхідне значення та передається на індикатори, що працюють у динамічному режимі.

При калібруванні вимірювача необхідно стежити за тим, щоб інтервал зміни частот при максимальному розкиді по вологості (від 10 до 100%), входив до значення не більше 255 (тобто максимального числа, що зберігається в таймері). При цьому максимально досягається точність не менше 1%.

З метою мініатюріалізаціі і перешкодозахищеності пристрої виконаємо його у вигляді тонкоплівкової гібридної інтегральної схеми (ГІС).

3. ДОСЛІДНО-ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИЙ РОЗДІЛ

У рамках роботи була досліджена розроблена схема вимірника (по макету кварцового генератора). Були підібрані більш точні значення номіналів елементів схеми для збільшення її стабільності.

В якості первинного датчика був використаний кварц промислового виготовлення типу РК17С - 4 МГц, температурно-незалежного АТ - зрізу, в якому використовуються коливання зсуву по товщині і коливання вигину, тому що для цих видів коливань вдається вирішити проблему розв'язки між коливається частиною резонатора і конструктивними елементами . Корпус даного кварцового резонатора був акуратно розкритий.

На пьезокварцевиє пластину, як вологочутливі шару, була нанесена методом термовакуумного напилення тонка плівка моноокиси кремнію SiO. Вологочутливі шар був нанесений з двох сторін по 0,4 мкм з кожної. Напилювання вологочутливі шару вироблялося в установці УВН-5, при температурі резонатора 30 ° С і струмі випарника 280А. Товщина шару вологочутливі контролювалася приладом "КІТ - 1".

При нанесенні вологочутливі шару догляд частоти резонатора склав у середньому 2,8 кГц, внаслідок чого, власна частота резонатора стала рівною 3987,200 кГц.

Випробування вимірювача вологості проводилися в спеціально виготовленій камері вологи. Різні значення вологості всередині камери задавалися за допомогою насичених розчинів різних солей за таблицею 3.1:

Таблиця 3.1 Залежність рівня вологості від типів насичених розчинів солей при різних температурах

Були взяті такі розчини солей:

1. Нітрат калію KNO _3;

2. Хлорид калію KCl;

3. Хлорид натрію NaCl;

4. Нітрат магнію Mg (NO _{3) 2;}

5. Карбонат калію K ₂ CO _3;

6. Хлорид магнію MgCl _2.

Випробування проводилися при температурі всередині камери вологості рівної Т = 15 ° С.

Отримано такі результати:

1. Нітрат калію KNO _3.

Рівень вологості RH = 94%.

Частота f ₁ = 3986,725; f ₂ = 3986,735; f ₃ = 3986,727.

2. Хлорид калію _KCl.

Рівень вологості RH = 87%.

Частота f ₁ = 3986,942; f ₂ = 3986,937; f ₃ = 3986,927.

3. Хлорид натрію _NaCl.

Рівень вологості RH = 76%.

Частота f ₁ = 3987,035; f ₂ = 3987,027; f ₃ = 3987,025.

4. Нітрат магнію Mg (NO _{3) 2.}

Рівень вологості RH = 56%.

Частота f ₁ = 3987,092; f ₂ = 3987,095; f ₃ = 3987,097.

5. Карбонат калію K ₂ CO _3.

Рівень вологості RH = 44%.

Частота f ₁ = 3987,109; f ₂ = 3987,117; f ₃ = 3987,114.

6. Хлорид магнію MgCl _2.

Рівень вологості RH = 34%.

Частота f ₁ = 3987,130; f ₂ = 3987,137; f ₃ = 3987,129.

На основі отриманих даних побудуємо графічні залежності (рис 3.1) або [2008-00-992.10.00]:

Рис. 3.1

З графіка випливає:

1. маємо нелінійну залежність частоти від вологості;

2. найбільша крутизна має місце при підвищених значеннях вологості, тобто в діапазоні підвищених значень вологості (від 80 до 100%) ефективність вимірювання зростає.

4. ТЕХНОЛОГІЧНИЙ РОЗДІЛ

4.1 Аналіз

Для наведеної електричної схеми пристрою необхідно розробити топологію і конструкцію окремого функціонального вузла у вигляді гібридної інтегральної мікросхеми. Електрична принципова схема містить резистори, конденсатори і корпусні мікросхеми. Резистори і конденсатори виконуються у вигляді плівкових елементів, а активні елементи - мікросхеми - є компонентами. Для того щоб розмістити резистори і конденсатори, необхідно знати їх геометричні розміри, для цього проводиться конструктивний розрахунок елементів. Геометричні розміри компонентів вибираються з довідкової літератури. Важливу роль відіграє вибір матеріалів для тонкоплівкових елементів. Від цього залежить термін служби ГІС, якість виконання елементів. Вибір матеріалів повинен грунтуватися на умовах експлуатації ГІС. Для розрахованих елементів вибирається підкладка необхідного розміру і виробляється розміщення елементів і компонентів. При розміщенні необхідно враховувати, що довжина провідників повинна бути якомога менше. Крім того, кількість перетинів має бути мінімальним. Для обраного методу нанесення елементів складається схема технологічного процесу.

4.2 Обгрунтування вибору матеріалів

Вибір матеріалу підкладки

Підложки ГІС служать діелектричним і механічним підставою для розташування активних і пасивних елементів. Підкладка ізолює окремі елементи ГІС і є теплоотводность елементом конструкції. Для забезпечення заданих електричних параметрів мікросхем матеріал підкладки повинен володіти:

високим коефіцієнтом теплопровідності для ефективної передачі тепла від тепловиділяючих елементів (резисторів, транзисторів, діодів) до корпусу;

малим тангенсом кута діелектричних втрат;

високу механічну міцність, що забезпечує цілісність підкладки з нанесеними елементами, як в процесі її виготовлення, так і при її експлуатації;

високою хімічною інертністю до загрожених матеріалами для зниження тимчасової нестабільності параметрів плівкових елементів;

стійкістю до дії високої температури в процесах формування елементів;

стійкістю до дії хімічних реактивів у процесі підготовки поверхні підкладки перед нанесенням плівок при їх хімічному осадженні;

здатністю до гарної механічній обробці (поліровці, різанню).

Крім перерахованих вище вимог, матеріал підкладки повинен мати високий об'ємним і поверхневим опором, в тому числі, в присутності вологи і електролітів.

Повною мірою, перерахованим вимогам не задовольняє ні один матеріал, а деякі вимоги знаходяться в протиріччі один до одного. Тому, вибір матеріалу підкладки заснований на компромісному рішенні.

Для гібридних інтегральних схем, де необхідно забезпечити інтенсивний відвід тепла, як правило, застосовують керамічний матеріал поликор. Цей матеріал має високу механічну міцність, високу теплостійкість, менші значення тангенса кута діелектричних втрат на високих частотах.

Недоліком кераміки є значна шорсткість поверхні, що ускладнює отримання відтворюваних номіналів тонкоплівкових елементів. Для ГІС, що не випробовують великих механічних впливів, застосовують ситалли і бесщелочного боросилікатне скла, оскільки це найбільш дешеві матеріали. Крім того, вони мають найменший коефіцієнт лінійного розширення, що може визначати стабільність параметрів ГІС. Одним із суттєвих недоліків ситалів і боросилікатне стекол є їх мала теплопровідність, тому вони використовуються в малопотужних мікросхемах. У табл. 4.1 наведено основні параметри підкладок [4,6,5].

Таблиця 4.1 Електрофізичні параметри матеріалів підкладок ГІС

Вибір матеріалу резисторів

Параметри тонкоплівкових резисторів визначаються властивостями застосовуваних резистивних матеріалів, товщиною резистивної плівки і умовами її формування. Чим менше товщина плівки, тим вище питомий поверхневий опір r _s, але одночасно підвищується температурний коефіцієнт опору (TKR), а також погіршується тимчасова і температурна стабільність плівок. Тобто при виборі матеріалу для резисторів необхідно враховувати не тільки величину питомого поверхневого опору, але і TKR плівки, допустимі потужності розсіювання, стабільність резистивних властивостей плівки в часі [4].

Для цих цілей найбільш придатні хром, ніхром, ванадій, тантал.

Хром задовольняє практично всім вимогам, що пред'являються до матеріалу резистивної плівки. Він досить тугоплавок, утворює стабільну і щільну оксидну плівку, має велике питомий опір, досить технологічний, крім того, при деяких технологічних операціях хром може одночасно використовуватися в якості адгезійного підшару. Основні параметри резистивних матеріалів наведено в табл. 4.2 [4,6,5].

Таблиця 4.2 Електрофізичні параметри резистивних матеріалів

Вибір матеріалу провідників і контактних площадок

Для виготовлення провідників і контактних майданчиків можуть бути використані різні метали, що відрізняються один від одного за величиною електропровідності і по міцності зчеплення з підкладкою. Матеріал провідників і контактних площадок повинен мати малий питомий опір, гарну адгезію до підкладки, високу корозійну стійкість. Крім того, матеріал повинен з мінімальними втратами підводити напруга живлення до функціональних компонентів мікросхеми, з мінімальними спотвореннями передавати сигнали, забезпечувати надійний, найчастіше невипрямляющій і малошумлячий контакт з елементами мікросхеми.

Мідь - один з найбільш часто використовуваних матеріалів. Вона характеризується високою електропровідністю, добре поєднується з іншими матеріалами, але разом з тим мідь схильна до окислення, тому її використовують з адгезійним подслоем (хром, ніхром). Питомий поверхневий опір провідника 0,02 ... 0,04 Ом [4,5].

Вибір матеріалу конденсаторів

Обкладки конденсаторів повинні мати високу провідність, корозійну стійкість, технологічну сумісність з матеріалом підкладки і діелектрика конденсатора: температурні коефіцієнти лінійного розширення (ТКЛР), близькі до ТКЛР підкладки і діелектрика, хорошу адгезію до підкладки і діелектрика, високу механічну міцність. Для усунення теплового руйнування діелектрика в процесі нанесення верхньої обкладки необхідно застосовувати матеріал з низькою температурою випаровування. Нижня обкладка конденсатора повинна мати мелкокристаллическую структуру. Не допускається утворення кристалів, виступи яких знижують товщину і відповідно електричну міцність діелектрика.

Більшості вимог, що пред'являються до матеріалів обкладок, задовольняє алюміній. Атоми і найдрібніші частинки алюмінію, що потрапили в межзеренного області діелектрика, інтенсивно окислюються, що сприяє усуненню проводять цепочечних структур між обкладками. Крім того, ділянки алюмінієвих обкладок в області коротких замикань самоізолюється від короткозамикающіх містків внаслідок термічного випаровування алюмінію при протіканні струму короткого замикання.

Матеріал діелектрика конденсатора в значній мірі визначає його характеристики. До діелектрика конденсаторів висуваються такі вимоги: висока діелектрична проникність, малий температурний коефіцієнт діелектричної проникності, висока електрична міцність, низькі діелектричні втрати, високий опір ізоляції, хороша адгезія, сумісність з технологічними процесами виготовлення інших елементів мікросхеми.

В якості діелектрика конденсаторів застосовують моноокись кремнію SiO, моноокись германію GeO, оксиди алюмінію Al ₂ O _3, танталу Ta ₂ O _5, титану TiO _2, оксиди рідкісноземельних металів. Основні параметри діелектричних матеріалів тонкоплівкових конденсаторів наведено в табл. 4.3 [4,6,5].

При виготовленні конденсаторів в якості діелектрика використовуємо моноокись кремнію. Плівки моноокиси кремнію отримують термічним випаровуванням.

Таблиця 4.3 Основні параметри діелектричних матеріалів конденсаторів

4.3 Формування тонких плівок методом термовакуумного напилення

Загальні вимоги до методів формування тонкоплівкових структур на поверхні підкладки

Для визначення цих вимог розглянемо спочатку вплив методів нанесення плівки на підкладку з точки зору отримання необхідної точності параметрів елементів ГІС. Наприклад, похибка резистора може бути представлена ​​сумою складових [6]:

G _R = G _r + G _l + G _в + G _d, (4.1)

де G _R - відносна похибка резистора;

G _r - Похибка за рахунок питомого опору матеріалу плівки;

G _d, G _в, G _l - похибки за рахунок довжини, ширини резистора, товщини плівки відповідно.

Припустивши, що складові похибки приблизно однакові, а значення G _R = 10%, отримаємо значення складових 2,5%. Для товщини плівки рівною 100А значення її абсолютної похибки складає 2,5 А, що порівнянно з товщиною декількох атомних шарів. Отже, для отримання таких шарів метод нанесення плівки повинен забезпечувати диспергування вихідного матеріалу до атомного (молекулярного) рівня.

Другою вимогою, що пред'являються до методів нанесення тонких плівок, є вимога особливої ​​чистоти середовища, в якому відбувається їх осадження. Будучи об'єктивно необхідним, воно додатково обумовлено рівнем диспергування матеріалу, коли значно полегшується можливість вступу атомів вихідного матеріалу в хімічні з'єднання з матеріалами, що забруднюють середовище, в якому відбувається процес осадження.

Третьою вимогою можна назвати вимога універсальності методу, що дозволяє осаджувати плівки різних матеріалів.

Зазначеним методам задовольняють наступні методи формування тонких плівок:

- Метод термовакуумного напилення плівок;

- Метод катодного розпилення матеріалів і його модифікації;

- Метод осадження з рідкої фази;

- Метод осадження з газової фази.

Метод термовакуумного напилення

Даний метод є одним з найбільш універсальних методів одержання плівкових структур самого різного призначення. Широке використання цього методу грунтується на можливості проведення більшості технологічних операцій в контрольованих і "чистих" умовах, що дозволяє використовувати ряд відомих співвідношень геометричної оптики, кінетичної теорії газів, статистичної фізики, термодинаміки і фізики твердого тіла для пояснення ефектів зростання та структурних перетворень виготовляються тонкоплівкових структур .

Суть методу термовакуумного напилювання полягає в випаровуванні матеріалу, що наноситься в умовах низького тиску і подальшої його конденсації на поверхні підкладки. Принцип дії обладнання, що реалізує цей метод, пояснюється на рис. 4.1.

Підстава 1 і ковпак 2 утворюють робочу камеру, з якої безперервно відкачується повітря. Випаровується, шляхом нагрівання доводиться до температури, при якій він починає інтенсивно випаровуватися. Потік пари, маючи певну діаграму випаровування, досягає підкладки 6 і конденсується на ній. Умови конденсації можуть мінятися шляхом зміни температури підкладки за допомогою нагрівача 7. Заслінка 5 служить для відкриття або закриття колії потоку пари.

1 - підстава; 2 - ковпак, 3 - матеріалу, який випаровується;

4 - випарник; 5 - заслінка; 6 - підкладка;

7 - нагрівач підкладки.

Рис. 4.1 Схема вакуумної установки

Визначення технологічних режимів напилення

Одним із завдань технології є встановлення зв'язку між умовами, в яких оптимально протікає використовуваний фізико-хімічний процес, і параметрами технологічних режимів обладнання, що забезпечують виконання цих умов.

Наноситься плівка повинна відповідати двом основним вимогам:

- Заданому значенню параметра, який визначається функціональним призначенням плівки (r, С _о і т.п.);

- Збереження цих параметрів на всій площі підкладки із заданою точністю.

Будь-яке джерело випаровування володіє деякою діаграмою спрямованості (випаровування), яка визначається його розмірами та конструкцією. Це означає, що щільність потоку пари в різних напрямках різна і, отже, різна товщина осаждаемой плівки на підкладці. Ця відмінність також залежить і від відстані підкладки до випарника.

З цієї точки зору найбільш доцільним було б мати випарник з площею не менше площі підкладки і близько розташований до неї. Це забезпечувало б не тільки високу рівномірність плівки по товщині, але і знизило б витрата матеріалу, який випаровується. Однак таке рішення, виявляється, практично реалізувати досить важко з двох основних причин. Перша пов'язана з відносно великими енергетичними витратами на розігрів випарника. Друга полягає в різкому підвищенні щільності потоку пари, що приводить до важко керованої у часі процесу напилення (малий час напилення, отже, більше погрішності параметрів плівки).

У зв'язку з цим при термовакуумного напиленні тонких плівок використовують випарники з площею значно меншої площі підкладки, що дозволяє розглядати їх приблизно як точкові, а діаграму випаровування підкоряється закону косинуса [6].

Для забезпечення необхідної точності відтворення параметрів плівки в цьому випадку відстань між випарником і підкладкою повинно бути не менше певної величини. Іншими словами, вимога до параметрів вироби трансформуються до конструктивних вимогам обладнання.

Для отримання прийнятних швидкостей росту плівки, а також для економного витрачання матеріалу, який випаровується, необхідно створити умови руху молекул (атомів) переважно в бік підкладки.

Це може бути створено за рахунок зменшення ймовірності зіткнення частинок пари з молекулами залишкового газу в робочій камері, а також за рахунок формування поверхні, що випаровує.

Таким чином, встановлюється зв'язок між концентрацією залишкового газу в робочій камері (фізичний параметр) із залишковим тиском (параметр технологічного режиму) в ній. Однак зручніше ступінь вакууму зв'язати не з концентрацією молекул залишкового газу, а з середньою довжиною пробігу частинки пари в проміжку випарник-підкладка. При цьому очевидно, що середня довжина вільного пробігу повинна бути більше, ніж відстань від випарника до підкладки. Для повітря при кімнатній температурі середня довжина пробігу L приблизно дорівнює:

(4.2)

де p - тиск залишкового газу в робочій камері, Па.

З цього виразу можна визначити, що при

p = 10 ^-2 Па L = 665 мм.

Або при

L = 100 мм, p = 6,65 * 10 ^-2 Па [6].

З розглянутого вище, встановлюється зв'язок: від похибки товщини до відстані між випарником і підкладкою, до мінімального тиску в робочій камері.

Однак, тиск, знайдене тільки виходячи з забезпечення середньої довжини пробігу, є задовільним вкрай рідко. Як зазначалося раніше, ймовірність вступу частинок матеріалу, який випаровується в хімічну реакцію з частинками залишкового газу досить висока. Тому, для збереження властивостей осаждаемого на підкладку матеріалу концентрація часток залишкового газу повинна бути на кілька порядків нижче, ніж концентрація часток матеріалу, який випаровується. Тому тиск у робочій камері, як встановлено практикою і розрахунками, не повинна бути вище 10 ^-3 Па.

Іншими параметрами, що визначають технологічний режим осадження плівки, є температура підкладки і температура випарника. Чим вище температура підкладки, тим більша ймовірність реіспаренія атомів (молекул) осаждаемого матеріалу, а центрів кристалізації утворюється менше. Структура плівки стає "крупнокристаллической". При низьких температурах навпаки - осаджена плівка має "мелкокристаллическую" структуру.

При високій температурі випарника, що відповідає високої щільності потоку пари і, отже, малому часу осадження плівки, ймовірність утворення центрів кристалізації вище. Отже, утворюється дрібнокристалічна структура плівки. Однак при високій швидкості випаровування процес стає важко контрольованим. При низьких температурах випарника щільність потоку пари менше, швидкість осадження плівки менше, ймовірність утворення хімічних сполук більше, структура крупнокристалічна. Структура плівки безпосередньо впливає на функціональні властивості осаждаемого матеріалу.

Провідникові матеріали (мідь, срібло) зазвичай беруть в облогу на холодну підкладку, що забезпечує більш високу провідність, а також менше окислення поверхні.

Резистивні матеріали та матеріали підшару напилюють на "гарячу підкладку" (200 ... 300 ⁰ С). Цей режим забезпечує кращу адгезію плівки до підкладки. Змінюючи температуру підкладки, можна для деяких резистивних мікрокомпозіцій отримати від'ємне значення ТКС, що в деяких випадках буває необхідно.

Температура підкладки і температура випарника визначаються експериментально, за результатами дослідження обложених плівок. При цьому враховуються і електрофізичні параметри, і величина адгезії, і керованість процесів.

Випарники

До матеріалів випарників пред'являються наступні вимоги:

- Тиск пари матеріалу випарника повинно бути дуже незначним;

- Між випаровуванням матеріалом і матеріалом випарника не повинно бути хімічної взаємодії;

- Матеріалу, який випаровується і матеріал випарника не повинен утворювати сплавів з низькою температурою випаровування;

• випаровується, повинен добре змочувати поверхню випарника.

Таблиця 4.4 Матеріали випарників

Испаряемой матеріал	Матеріал випарника
Al	W
Cu	Mo, Ta
Ag	Mo, Ta
Cr	W, Ta
Мікрокомпозіціі та сплави РС	W, Ta

У табл. 4.4 наведені деякі матеріали, використовувані в основному для випарників з непрямим резистивним нагріванням [6].

Крім випарників з резистивним нагріванням можуть бути використані індукційні випаровувачі, випарники з електронним нагрівом.

4.4 Методи формування тонкоплівкових структур

Формування елементів ГІС методом вільного маски

Даний метод отримання заданої конфігурації елементів ГІС є найбільш простим. Він полягає в нанесенні кожного шару тонкоплівкової структури через спеціальний трафарет (знімну маску), з певною точністю повторює геометрію елементів кожного шару мікросхеми. У масочном методі операції нанесення плівки та формування конфігурацій елементів суміщені. Плівка з напилюваного матеріалу осідає на підкладці в місцях, відповідних малюнку вікон у масці. Нанесення плівок через знімні маски здійснюється або термічним випаровуванням у вакуумі, або іонно-плазмовим розпиленням. Схема процесу представлена ​​на рис. 4.2.

У силу того, що маска має певну товщину і до підкладки прилягає нещільно, то виникають характерні похибки методу:

• D Е - похибка екранування;

• D П - похибка подпиленний.

З малюнка також видно, що на похибку методу впливає і товщина маски. Звідси, до маски та її матеріалу повинні пред'являтися певні, досить суперечливі вимоги по товщині і гнучкості, а також до температурного коефіцієнта лінійного розширення.

Найбільш поширеним матеріалом є берилієва бронза товщиною 0,05 ... 0,15 мм.

Метод вільної маски рекомендується застосовувати при дрібносерійному і серійному виробництві.

Рис. 4.2 Схема напилення через маску

Метод фотолітографії

Даний метод дозволяє отримати конфігурацію елементів будь-якої складності і має більшу точність у порівнянні з масковим, але він більш складний, тому що включає більше число технологічних операцій. При використанні фотолітографії процеси нанесення і формування плівкових елементів рознесені в часі.

Фотолітографія може бути послідовною, селективної, зворотної та з використанням анодного окислення.

Метод рекомендується використовувати при масовому виробництві ГІС.

Формування елементів ГІС методом послідовної фотолітографії

Метод полягає в послідовному формуванні кожного функціонального шару, розгерметизації робочої камери і застосуванні фотолітографії до цього шару для оформлення його малюнка.

Укрупненная послідовність операцій представлена ​​на рис. 4.3 на прикладі формування резистивної-провідникової структури.

На підкладку 1 наноситься резистивний шар 2. Потім робоча камера розгерметизується, наноситься фоторезист 3 та виробляється експонування через шаблон 4 (рис. 4.3 а)).

Схема процесу послідовної фотолітографії

Після прояви, травлення та видалення фоторезиста виходить структура, зображена на рис. 4.3 б).

Потім підкладка знову поміщається в робочу камеру, наноситься провідникової шар 5, знову проводиться розгерметизація, нанесення фоторезисту 6 і експонування через фотошаблон 7 провідникового шару (рис. 4.3 в)).

Потім проводиться прояв фоторезиста, травлення селективним травителем провідникового шару, видалення фоторезисту. У результаті виходить резистивної-провідникова структура рис. 4.3 г).

Виконуючи аналогічні операції можна отримати структуру з великою кількістю шарів.

Формування елементів ГІС методом одинарного селективного травлення

У робочій камері на підкладку 1 наноситься суцільний резистивний шар 2 і провідникової шар 3 через маску (рис. 4.4 а)). Після розгерметизації наноситься фоторезист 4 і виробляється експонування через шаблон резистивного шару. Після прояви отримуємо структуру, показану на рис. 4.4б), а після прояву селективним травителем - структуру на рис. 4.4в).

Формування елементів ГІС методом подвійного селективного травлення

При методі подвійного селективного травлення суцільний резистивний шар 2 і суцільний провідникової шар 3 наносяться без розгерметизації робочої камери. Після формування шарів підкладка виймається з робочої камери і виробляється фотолітографія провідникового шару. Отримана структура представлена ​​на рис. 4.5 б). Пунктиром показана захисна маска з фоторезиста, яка використовується перед операцією селективного травлення провідникового шару. Потім знову наноситься фоторезист, і процес фотолітографії повторюється за резистивною шару (рис. 4.5 в) і г)).

Одинарне селективне травлення Подвійне селективне травлення

Формування елементів ГІС методом зворотної фотолітографії

Метод заснований на застосуванні в якості маски тонкого шару легкотравящегося металу. Цей метал напилюється безпосередньо на підкладку. За допомогою фоторезистивной захисного рельєфу в ньому формується малюнок негативний по відношенню до необхідного зображенню. Фоторезист віддаляється, і на металеву маску наноситься робочий матеріал. При травленні матеріалу маски, що знаходиться під робочим шаром, останній видаляється з підкладки, за винятком тих місць, де він обложений безпосередньо на підкладку. За рахунок цього виходить різкий край малюнка, оскільки виключається ефект подтравливания функціонального матеріалу. Однак технологічний процес фотолітографії дещо ускладнюється.

Оцінка методів формування елементів ГІС

Оцінку методів доцільно проводити за трьома показниками:

- Продуктивність;

- Точність відтворення малюнка елементів;

- Опір контактного переходу в структурі резистор-провідник (або провідник-провідник).

Найбільш виробленим слід вважати метод вільної маски, оскільки робоча камера може бути обладнана карусельної системою масок і позицій напилювання різних матеріалів. Таким чином, багатошарова структура елементів ГІС формується без розгерметизації робочої камери, при цьому сам процес напилення і зміни масок займає дуже короткий час (десятки секунд, хвилина).

Найменш продуктивним є метод послідовної фотолітографії (2 відкачування, 2 фотолітографії). При цьому враховується, що відкачка разом з нагріванням підкладки, термостабілізацією шару, охолодженням займає приблизно 1 ... 1,5 години, а сама фотолітографія - близько 1 години.

Таким чином, розглянуті методи по продуктивності шикуються в наступному порядку:

1. метод вільної маски (М);

2. метод одинарного селективного травлення (ОСТ);

3) метод подвійного селективного травлення (ДСТ);

4) метод послідовної фотолітографії (ПФ).

Найменш точним є метод вільної маски. Слідом за ним стоїть метод одинарного селективного травлення. Найбільш точними є методи подвійний, зворотної та послідовної фотолітографії.

Найменший опір контактних переходів отримуємо в методах, де немає розгерметизації робочої камери між формуванням двох прилеглих шарів. До них належать метод вільної маски, одинарного і подвійного селективного травлення. Найбільший опір контактних переходів виходить при послідовній фотолітографії [6].

4.5 Розробка технологічного процесу виготовлення ГІС

Сукупність технологічних операцій, які становлять маршрут виробництва тонкоплівкових гібридних мікросхем, спрямована на підготовку поверхні підкладки, нанесення плівок на підкладку, формування конфігурацій тонкоплівкових елементів, монтаж навісних компонентів, захист і герметизацію вироби від зовнішніх впливів. У зв'язку з цим нижче пропонується коротка структура технологічного процесу виготовлення ГІС (рис. 4.6). Усі технологічні операції з обробки підкладок, формуванню плівкових структур і захисту мікросхеми виконуються за типовими технологічним процесам згідно ОСТ 4.ГО.054.028. Особливим технологічним процесом є збірка вироби [2008-00-992.06.00 СБ], [2008-00-992.07.00 СБ] і [2008-00-992.09.00]. Технологічний процес складання багато в чому визначається конструкцією вироби і застосовуваної елементної базою. Він також залежить від обсягів виробництва, але в меншому ступені, оскільки визначається необхідним мінімумом всіх технологічних операцій і переходів, а обсяг виробництва впливає на ступінь автоматизації, механізації та організації виробництва.

Рис. 4.6 Структура технологічного процесу виготовлення ГІС

4.6 Випробування

Під випробуванням розуміють перевірку якості функціонування, збереження зовнішнього вигляду та конструктивної цілісності виробу при впливі на нього комплексу зовнішніх факторів відповідають реальним умовам експлуатації.

На сучасному рівні розвитку технології випробування, як метод оцінки надійності та контролю якості мікросхем, стали малоефективними [8]. Крім того випробування стали дорогим засобом отримання інформації, а витрати на їх проведення все більше збільшують собівартість виробу.

Тому випробувань сьогодні відводиться роль контрольної операції, що виконується в інтересах отримання інформації, що характеризує стабільність технологічного процесу і виробничого рівня на контрольованому відрізку часу.

Для розробки методики випробувань необхідно виділити основні фактори, що впливають на надійність мікросхеми.

Всі фактори, що впливають на мікросхему можна розділити на дві групи: кліматичні та механічні.

До кліматичних відносяться температура навколишнього середовища, вологість, сонячна радіація, забрудненість атмосфери, атмосферний тиск.

До механічних можна віднести вібрації, лінійну навантаження, удари, навантаження на висновки мікросхеми.

На етапі серійного виробництва мікросхем з метою контролю стабільності виробництва проводять такі види кліматичних випробувань:

1. випробування на теплостійкість;

2. випробування на холодостійкість;

3. випробування на вплив зміни температур;

4. випробування на короткочасну вологостійкість;

5. випробування на перевірку герметичності.

З механічних випробувань проводять випробування на вплив вібрації, випробування на ударну міцність, випробування на вплив лінійних навантажень та випробування на міцність висновків та їх кріплення.

Розробляється мікросхема піддається кліматичним і механічних випробувань відповідно до інструкцій.

Технологічна інструкція з проведення кліматичних випробувань на теплотривкість мікросхеми модуля.

1. Призначення: справжня інструкція призначена для проведення випробувань на теплотривкість вибірки мікросхем.

2. Мета випробувань: визначення здатності мікросхеми зберігати свої параметри в межах норм технічних умов у процесі, і після впливу верхнього значення температури.

3. Обладнання робочого місця: термокамера КТХ -90/100.

4. Вимоги безпеки: при проведенні випробувань необхідно дотримуватись вимог техніки безпеки.

5. Порядок проведення випробувань.

1. Піддослідні зразки витримати протягом 2 годин в нормальних кліматичних умовах для стабілізації властивостей виробу.

2. Виміряти початкові параметри мікросхем.

3. Провести зовнішній огляд вироби.

4. Встановити тару з мікросхемами в термокамеру.

5. Встановити температуру Т = 70 ± 5 ⁰ С.

6. Витримати мікросхеми протягом 8 годин.

7. При досягненні теплового рівноваги провести контроль параметрів.

8. Вийняти тару з мікросхемами.

9. Провести кінцеву стабілізацію властивостей вироби, витримавши 2 години при нормальних кліматичних умовах.

10. Провести кінцевий контроль мікросхем відповідно до інструкції.

11. Зареєструвати результати в журналі.

12. Маркувати придатні мікросхеми фарбою.

13. Надіслати придатні мікросхеми на дільницю складання.

14. Виявити несправності негідних мікросхем і зареєструвати їх у журналі.

15. Надіслати негідні мікросхеми на дослідження.

Методика проведення випробувань на холодостійкість

Мета випробувань на холодостійкість - визначення здатності виробів зберігати свої параметри при дії холоду і виявлення різних дефектів.

Після зовнішнього огляду вироби поміщають в камеру холоду і вимірюють необхідні параметри в нормальних кліматичних умовах. Після цього в камері встановлюють температуру, рівну робочої, зазначеної в ТУ, і витримують вироби при цій температурі протягом часу, достатнього для охолодження їх по всьому об'єму. Час витримки обмовляється в ТУ (зазвичай від 0,5 до 6 годин). Після закінчення терміну витримки вимірюють необхідні параметри виробів. Після закінчення випробування температуру в камері підвищують до нормальної зі швидкістю 1 ... 2 ⁰ / хв. При нормальній температурі вироби витримують протягом 2 ... 4 годин (якщо в ТУ не вказано інше час), після чого вимірюють необхідні параметри. Вироби витримали випробування, якщо під час перебування їх у камері і після витримки в нормальних кліматичних умовах дотримується відповідність вимогам, встановленим в ТУ для даного виду випробувань.

Методика випробування вироби на вібростійкість

Мета випробувань - перевірка здатності пристрою протистояти руйнівній дії вібрації, виконувати свої функції і зберігати параметри в межах норм, вказаних в ТУ.

1. Проводять зовнішній огляд пристрою та проводять перевірку працездатності (відповідність параметрів ТУ).

2. Помістити вироби в тару.

3. Мікросхеми в тарі закріпити на стенді.

4. Включити стенд і провести випробування (в напрямок зазначеному на тарі "ВЕРХ" методом фіксованих частот) пристрою у вимкненому стан з різною кількістю, від 30 ... 60 уд. / хв. Виробити не менше 3-х циклів тривалістю 10 хв кожен.

5. Вимкнути стенд, витягти мікросхеми з тари і провести зовнішній огляд, а також провести перевірку працездатності (відповідність параметрів ТУ).

6. Виріб вважається витримали випробування, якщо після проведення випробування зовнішній вигляд і параметри задовольняють ТУ, а також відсутні ослаблення кріплень і механічні ушкодження.

5. РОЗРАХУНКОВО-КОНСТРУКТОРСЬКИЙ РОЗДІЛ

5.1 Методика розрахунку конструкції тонкоплівкових елементів

Розрахунок тонкоплівкових резисторів

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 g _R в умовах існуючих технологічних можливостей.

Порядок розрахунку [4].

1. Визначаємо оптимальне з точки зору мінімуму площі під резисторами ГІС опір резистивної плівки:

r _Sопт = , (5.1)

де n - число резисторів;

R _i - номінал i-го резистора.

2. За довідковими даними вибираємо матеріал резистивної плівки з питомим опором, найближчим за значенням до обчисленому r _sопт. При цьому необхідно, щоб температурний коефіцієнт опору (TKR) матеріалу був мінімальним, а питома потужність розсіювання P ₀ - максимальною.

3. Проводять перевірку правильності обраного матеріалу з точки зору точності виготовлення резисторів. Повна відносна похибка виготовлення плівкового резистора g _R = D R / R складається з суми похибок:

g _R = g _{K ф} + g _{r s} + g _Rt + g _{R ст} + g _{R к,} (5.2)

де g _Kф - похибка коефіцієнта форми;

g _{r s} - похибка відтворення величини r _s резистивної плівки;

g _Rt - температурна похибка;

g _Rст - похибка, обумовлена ​​старінням плівки;

g _Rк - похибка перехідних опорів контактів.

Похибка коефіцієнта форми g _Kф залежить від похибки геометричних розмірів - довжини l і ширини b резистора:

g _Kф = D l / l + D b / b. (5.3)

Похибка відтворення питомого поверхневого опору g _{r s} залежить від умов напилення та матеріалу резистивної плівки. В умовах серійного виробництва її значення не перевищує 3 ... 5%.

Температурна похибка залежить від TKR матеріалу плівки:

g _Rt = a _R (T _max - 20 ^о C), (5.4)

де a _R - температурний коефіцієнт опору матеріалу плівки, 1 / ^о С.

Похибка g _Rст, обумовлена ​​старінням плівки, викликана повільним зміною структури плівки в часі і її окисленням. Вона залежить від матеріалу плівки та ефективності захисту, а також від умов зберігання і експлуатації. Зазвичай для гібридних інтегральних схем g _Rст не перевищує 3%.

Похибка перехідних опорів контактів g _Rк залежить від технологічних умов напилення плівок, питомого опору резистивної плівки і геометричних розмірів контактного переходу: довжини перекриття контактують плівок, ширини резистора. Зазвичай g _Rк = 1 ... 2%. Якщо матеріал вибраний відповідно до табличними даними, то цією похибкою можна знехтувати.

Допустима похибка коефіцієнта форми:

g _{K ф доп} = g _R - G _{r s} - g _Rt - g _{R ст} - g _{R к.} (5.5)

Якщо значення g _{Kф доп} негативно, то це означає, що виготовлення резистора заданої точності з обраного матеріалу неможливо. У цьому випадку необхідно вибрати інший матеріал з меншим TKR або використовувати підгонку резисторів, якщо дозволяє технологічне обладнання.

4. Визначаємо конструкцію резисторів за значенням коефіцієнта форми К _ф:

До _фi = R _i / r _s. (5.6)

При 1 £ До _фi £ 10 рекомендується конструювати резистор прямокутної форми (рис. 5.1а)), при К _фi> 10 - резистор складної форми (складовою рис. 5.1б), меандр рис. 5.1в) або типу "змійка"), при 0,1 £ До _фi £ 1 - резистор прямокутної форми, у якого довжина менше ширини (рис. 5.1г)). Конструювати резистор з К _фi <0,1 не рекомендується, так як він буде мати великі контактні майданчики, і займати значну площу на підкладці.

Якщо в одній схемі містяться низькоомні і високоомні резистори, можна використовувати два резистивних матеріалу, для вибору яких визначають r _sопт спочатку для всіх резисторів за формулою (5.1), після чого розбивають резистори на дві групи так, щоб R _{i max} першої групи було менше, а R _{i min} другої групи - більше значення r _sопт, обчисленого для всіх резисторів. Потім за цією ж формулою розраховують r _sопт1 і r _sопт2 і вибирають матеріали для кожної групи резисторів окремо.

5. Подальший розрахунок проводять залежно від форми резисторів.

а) б) в) г)

Рис. 5.1

Розрахунок резисторів прямокутної форми. Для резисторів, що мають К _ф ³ 1, спочатку визначають ширину, а потім довжину резистора. Розрахункове значення ширини резистора повинно бути не менше найбільшого значення однієї з трьох величин:

b _розр ³ max {b _техн; b _точн; b _Р}, (5.7)

де b _техн - мінімальна ширина резистора, що визначається можливостями технологічного процесу [4,5];

b _точн - ширина резистора, що визначається точністю виготовлення:

b _точн ³ , (5.8)

(D b, D l - похибки виготовлення ширини і довжини резистора, що залежать від методу виготовлення [4,5]);

b _P - мінімальна ширина резистора, при якій забезпечується задана потужність:

. (5.9)

За ширину b резистора приймають найближче до b _розр більшого значення.

Далі знаходимо розрахункову довжину резистора:

l _розр = Bк _ф. (5.10)

За довжину l резистора приймають найближче до l _розр значення.

Визначаємо повну довжину резистора з урахуванням перекриття контактних майданчиків:

l _повн = l +2 е, (5.11)

де е - розмір перекриття резистора і контактних майданчиків [4,5].

Площа, яку займає резистором на підкладці:

S = l _повн b. (5.12)

Для резисторів, що мають К _ф <1, спочатку визначають довжину, а потім ширину резистора.

Розрахункове значення довжини резистора l _розр вибирають з умови:

l _розр ³ max {l _техн; l _точн; l _Р}, (5.13)

де l _техн - мінімальна довжина резистора, що визначається роздільною здатністю обраного методу формування конфігурації;

l _точн - мінімальна довжина резистора, при якій забезпечується задана точність:

l _точн ³ (D l + D b) / g _Кф; (5.14)

l _Р - мінімальна довжина резистора, при якій розсіюється задана потужність:

l _Р = . (5.15)

За довжину l резистора приймають найближче до l _розр значення.

Розрахункову ширину резистора визначають за формулою:

b _розр = l / Кф. (5.16)

Розрахунок резисторів типу "меандр". Резистори типу "меандр" розраховуємо з умови мінімальної площі, займаної резистором [4].

Розрахунок меандру проводимо після визначення ширини b резистора в такій послідовності.

Визначаємо довжину середньої лінії меандру:

l _ср = Bк _ф. (5.17)

Задають відстань між резистивним смужками а. З урахуванням технологічних обмежень при масочном методі a _min = 300 мкм, при фотолітографії a _min = 100 мкм (зазвичай задають a = b).

Конструкція резистора типу "меандр"

Рис. 5.2

Знаходимо крок однієї ланки меандру:

t = a + b. (5.18)

Визначаємо оптимальне число ланок меандру n _опт з умови, щоб площа, займана резистором типу "меандр", була мінімальною. Очевидно, це буде у випадку, коли меандр вписується в квадрат (L = B).

Якщо відношення довжини середньої лінії меандру до ширини резистивної смужки більше 10, то оптимальне число ланок меандру може бути обчислено за наближеною формулою:

n _опт »(l _СР / t) (B / L). (5.19)

При L = B (меандр квадратної форми) і a = b вираз спрощується:

n _опт » . (5.20)

Значення n _опт округлюють до найближчого цілого.

Визначають довжину меандру:

, (5.21)

де n - оптимальне число ланок меандру, округлене до найближчого цілого.

Обчислюємо ширину меандру:

. (5.22)

Наведені розрахункові співвідношення не враховують, що в резисторах типу "меандр" щільність струму в вигинах нерівномірна. Це призводить до скорочення електричної довжини плівкового резистора і зменшення його опору. Нерівномірний розподіл щільності струму спостерігається в межах трьох квадратів області вигину (рис. 5.2).

Для уточненого розрахунку з урахуванням вигинів конструкцію резистора типу "меандр" можна представити у вигляді послідовно з'єднаних прямолінійних ділянок і вигинів. При цьому його опір можна визначити як суму опорів прямолінійних ділянок та вигинів:

R = R _і m + l _п n r _s / b, (5.23)

де R _і - опір вигинів;

m - число вигинів;

l _п - довжина прямолінійних ділянок;

n - число ланок меандру.

Для вигину під прямим кутом R _і = 2,55 r _s, для П-образного вигину R _і = 4 r _s.

Звідси довжина прямолінійного ділянки однієї ланки меандру:

. (5.24)

Після цього коректують розміри L і B з метою забезпечення заданого номіналу.

Скоригований ширина:

. (5.25)

Габаритна площа резистора:

. (5.26)

Розрахунок тонкоплівкових конденсаторів

Всі характеристики тонкоплівкових конденсаторів: ємність, робоча напруга, температурний коефіцієнт ємності, частотні властивості і розміри - залежать від обраних матеріалів [4].

Порядок розрахунку:

1. Вибирають матеріал діелектрика по робочій напрузі відповідно з довідковими даними. Щоб конденсатор займав якомога меншу площу, потрібно вибирати матеріал з максимально високими діелектричною проникністю, електричною міцністю, а також малими значеннями ТКС і tg d.

2. Визначаємо мінімальну товщину діелектрика з умови електричної міцності:

(5.27)

де _З - коефіцієнт запасу електричної міцності (для плівкових конденсаторів До _З = 2 ... 3);

U _раб - робоча напруга, В;

Е _пр - електрична міцність матеріалу діелектрика, В / мм.

3. Визначаємо питому ємність конденсатора (пФ / см ^2), виходячи з умови електричної міцності:

. (5.28)

Тут d в см.

4. Оцінюємо відносну температурну похибку:

, (5.29)

де a _С - ТКС матеріалу діелектрика.

5. Визначаємо допустиму похибку активної площі конденсатора:

, (5.30)

де g _с - відносна похибка ємності конденсатора;

g _З - відносна похибка питомої ємності, що характеризує відтворюваність питомої ємності в умовах даного виробництва (залежить від матеріалу і похибки товщини діелектрика і становить 3 ... 5%);

g _Сt - відносна температурна похибка;

g _Сст - відносна похибка, обумовлена ​​старінням плівок конденсатора (залежить від матеріалу та методу захисту і звичайно не перевищує 2 ... 3%).

Якщо g _Sдоп £ 0, то це означає, що виготовлення конденсатора із заданою точністю неможливо, потрібно вибрати інший матеріал діелектрика з меншою температурної похибкою.

6. Визначаємо питому ємність конденсатора з урахуванням точності його виготовлення:

, (5.31)

де К _ф - коефіцієнт форми;

D L - похибка довжини для масочного методу.

7. Визначаємо значення питомої ємності, при якому конденсатор буде займати мінімальну площу на підкладці:

. (5.32)

8. Виробляємо остаточний вибір величини питомої ємності за формулою:

З ₀ £ {C _0мін, C _0V, C _0точн}. (5.33)

9. Визначаємо коефіцієнт, що враховує крайовий ефект:

К = 1, якщо С / С _о ³ 5 мм ^2; (5.34)

До = 1,3 - 0,06 С / С _о, якщо 1 £ С / С _о <5 мм ^2. (5.35)

10. Визначаємо площу верхньої обкладки:

(5.36)

Якщо площа перекриття обкладок менше 1 мм ^2, необхідно взяти інший діелектрик з меншим значенням e, або збільшити товщину діелектрика e в можливих межах, або конструювати конденсатор спеціальної форми.

Якщо площа перекриття обкладок більше 200 мм ^2, потрібно взяти інший діелектрик з великим значенням e, або зменшити товщину діелектрика в можливих межах, або використовувати у ГІС навісний конденсатор, що задовольняє початковим даним.

Для конденсаторів з прийнятною площею можна вибрати конструкцію у вигляді двох взаємно пересічних смужок (рис. 5.3).

Рис. 5.3 Конструкція конденсатора з двома взаємно пересічними смужками

11. Визначаємо розміри верхньої обкладки конденсатора. Для обкладок квадратної форми (К _ф = 1):

. (5.37)

12. Визначаємо розміри нижньої обкладки конденсатора з урахуванням допусків на перекриття:

, (5.38)

де q - розмір перекриття нижньої і верхньої обкладок конденсатора.

13. Обчислюємо розміри діелектрика:

, (5.39)

де f - розмір перекриття нижньої обкладки і діелектрика.

14. Визначаємо площу, займану конденсатором:

. (5.40)

5.2 Числовий розрахунок плівкових елементів

Розрахунок резисторів

Вихідні дані: R1 = R2 = 2,5 кОм, R3 = 15 кОм; допустиме відхилення опору резисторів від номіналу g _R = 10%; потужності розсіювання Р = 0,125 Вт; максимальна робоча температура Т = + 70 ⁰ С.

Відповідно до формули (5.1) розраховуємо оптимальне опір квадрата плівки:

r _sопт = кОм.

З довідкових даних [4,5] відомий лише матеріал Кермет К-50С, питомий опір якого близько до отриманого значення (r _s = 5000 Ом / Ž) і підходить для виготовлення плівкових резисторів з даними номіналами.

Однак Кермет К-50С вимагає в якості матеріалу контактних майданчиків застосування золота з подслоем хрому (ніхрому). Застосування даних матеріалів призводить до ускладнення технологічного процесу, збільшення загальних витрат.

Керуючись цими міркуваннями, за довідковими даними вибираємо матеріал резистивної плівки - хром з питомим опором r _sопт = 500 Ом.

Визначаємо температурну похибка матеріалу плівки по (5.4):

g _Rt = .

Припустиму похибку коефіцієнта форми знаходимо за (5.5):

g _{Kф доп} = 10 - 3 - 0,3 - 3 = 3,7%.

Розраховуємо коефіцієнти форми по (5.6) і визначаємо конструкцію резисторів:

До _ф1 = К _ф2 = 2500/500 = 5,

До _Ф3 = 15000/500 = 30.

Резистори R1, R2 - прямокутної форми, резистор R3 - типу "меандр".

Розрахункову ширину резисторів знаходимо за виразами (5.7), (5.8), (5.9):

R1, R2: b _точн =

R3: b _точн =

З урахуванням округлення приймаємо:

b ₁ = b ₂ = 1,6 мм; b ₃ = 0,65 мм.

Розрахунок резисторів прямокутної форми.

Довжина резисторів по (5.10):

l ₁ = l ₂ = 8 мм.

За формулою (5.11) визначаємо повну довжину резистора з урахуванням перекриття контактних майданчиків:

l _полн1 = l _полн2 = 8 + 0,4 = 8,4 мм.

Площа резисторів по (5.12):

S ₁ = S ₂ = 13,44 мм ^2.

Розрахунок резистора типу "меандр".

Визначаємо довжину середньої лінії меандру по (5.17):

l _Ср3 = 19,5 мм.

З урахуванням a = b з (5.18) знаходимо крок однієї ланки меандру:

t ₃ = 1,3 мм.

За (5.19) визначаємо оптимальне число ланок меандру n _опт:

n _опт3 = 5.

Довжину меандру визначаємо за (5.21):

L ₃ = 6,5 мм.

Ширина меандру по (5.22):

B ₃ = 3,25 мм.

За формулою (5.24) визначаємо довжини прямолінійних ділянок:

l _П3 = 1,3 мм.

Остаточні габаритні розміри резистора по (5.21) і (5.25):

L ₄ = 6,5 мм, B ₄ = 3,9 мм.

Габаритна площа резистора (5.26):

S ₄ = 25,35 мм ^2.

Розрахунок тонкоплівкових конденсаторів

Вихідні дані: З ₁ = 120 пФ, С ₂ = С ₃ = 15 пФ; допустиме відхилення ємності від номіналу g _C1 = g _C2 = g _C3 = 10%; робоча напруга U _раб = + 5 В; максимальна температура Т _макс = 70 ^o С; максимальна робоча частота f _макс = 4000 кГц.

За довідковими даними з урахуванням вищевикладених рекомендацій та вимог вибираємо матеріал діелектрика конденсаторів - моноокись кремнію [4,5].

Визначаємо мінімальну товщину діелектрика з умови електричної міцності (5.27):

За (5.28) визначаємо питому ємність конденсатора (пФ / см ^2):

.

Згідно (5.29) оцінюємо відносну температурну похибку:

.

За формулою (5.30) визначаємо допустиму похибку активної площі конденсатора:

Мінімальну питому ємкість для забезпечення точності виготовлення найменшого за номіналом конденсатора визначаємо за (5.31):

пФ / мм ^2.

Визначаємо, яка повинна бути питома ємність найменшого за номіналом конденсатора з урахуванням технологічних можливостей виготовлення по площі перекриття обкладок і товщині діелектрика. Задаємо S _хв = 1 мм ^2. Тоді за (5.32):

пФ / мм ^2.

Таким чином, отримані три значення питомої ємності:

З _OV = 1062 пФ / мм ^2; З _{O точн} = 33,75 пФ / мм ^2; З _{O хв} = 15 пФ / мм ^2.

Згідно з умовою (5.33), вибираємо З _Омінь = 15 пФ / мм ^2.

Визначаємо, яка товщина діелектрика відповідає обраній питомої ємності С _В:

см, що не відповідає технології.

Виберемо З _О = 33,75 пФ / мм ^2. Тоді см, що також не відповідає тонкоплівкової технології.

Виберемо З _Про = 120 пФ / мм ² (що відповідає другому найменшому номіналу конденсаторів).

Тоді см, що задовольняє тонкоплівкової технології.

Розрахунок конденсатора С3. Визначимо відношення С / С _0:

С3/С0 = 120/120 = 1 мм ^2.

Визначаємо коефіцієнт, що враховує крайовий ефект по (5.34), (5.35):

До ₃ = 1,24.

Площа верхньої обкладки (5.36):

S ₃ = мм ^2.

Форма обкладок конденсатора С3 - смужки, що перехрещуються квадратної форми (Кф = 1).

Розміри верхніх обкладок по (5.37):

L ₃ = B ₃ = мм.

Розміри нижніх обкладок по (5.38):

L _Н3 = B _Н3 = 1,11 мм.

Розміри діелектрика (5.39):

L _Д3 = B _Д3 = 1,11 +1 = 2,11 мм.

Площі конденсаторів за діелектрика (5.40): S _Д3 = 4,45 мм ^2.

Розрахунок конденсаторів спеціальної форми

Розрахунок конденсатора С1. Даний конденсатор має гребінець конструкцію (рис. 5.4), а його ємність визначається крайовим ефектом [5].

Рис. 5.4 Конструкція гребінчастого конденсатора

Ємність гребінчастого конденсатора визначається за формулою [5]:

, (5.41)

де Сп - погонна ємність конденсатора, визначається за графіком [5];

e _сер - середня відносна діелектрична проникність, що розраховується як (E _п - відносна діелектрична проникність підкладки, e _пок - відносна діелектрична проникність захисного покриття);

l - довжина середньої лінії, мм.

В якості захисного покриття використовуємо фоторезист ФН-11, тоді:

e _ср = (9,1 +6) / 2 = 7,55.

Погонна ємність

З _п = 0,17 пФ / мм (при a = b ₁ = b _2).

Довжина середньої лінії

l = 15 / ( ) = 11,69 мм.

Задаємо

a = b = 0,25 мм.

5.3 Розміщення елементів

Зі стандартних розмірів підкладок виберемо підкладку розміром 60х48 мм ^2.

Спочатку розмістимо периферійні контактні майданчики [7]. Вони повинні знаходитися по краях плати, симетрично по протилежних сторонах. У даній роботі ГІС має шістнадцять периферійних контактних майданчики з відстанню між сусідніми 3 мм. Розмір контактних майданчиків 3х3 мм ^2. Висновок контактної площадки з номером один розташовується в зоні ключа, яка знаходиться в нижньому лівому куті плати. Висновки мікросхеми мають наступне призначення:

1 вивід - 1-ий індикатор;

2 - 5, 9 - 12 висновки - індикатори;

6 висновок - підключення кварцу 4 МГц;

7 висновок - підключення кварцу 4 МГц + вихід кварцового генератора;

8 висновок - "загальний";

13 висновок - підключення кварцу 10 МГц;

14 висновок - підключення кварцу 10 МГц;

15 висновок - 2-ий індикатор;

16 висновок - харчування (+5 В).

Після розміщення контактних майданчиків розміщуємо елементи так, щоб отримати мінімальну кількість перетинань провідників (або його відсутність) і мінімальну сумарну довжину провідників. Для цього спочатку розміщуємо найбільш пов'язані між собою елементи, які маємо в своєму розпорядженні поруч один з одним.

Поєднана топологія представлена ​​на [2008-00-992.04.00].

5.4 Конструктивні заходи захисту інтегральних мікросхем від впливу дестабілізуючих факторів

Забезпечення захисту від корозії

Однією з причин відмов тонкоплівкових провідників і мікросхем в цілому є недостатня корозійна стійкість металів, що використовуються для формування плівкових структур.

Попадання вологи на мікросхему до герметизації може призвести до руйнування металізації. Для захисту мікросхеми від корозії необхідно покрити її поверхню шаром ізолюючого діелектричного матеріалу. Для цього використовують плівки SiO _2, SiO, GeO, негативний фоторезист ФН-103, фоторезист ФН-11 та інші [4].

Однак так як в цьому ізолюючому шарі повинні бути утворені вікна на контактних майданчиках під зварні контакти, існує проблема обриву ланцюгів через корозію металізації в зазначених областях. Для вирішення цієї проблеми використовується герметизація лаками і компаундами.

Для захисту мікросхеми, розробленої в ході даного проекту, використовується фоторезист ФН-11.

Герметизація як метод захисту від дестабілізуючих факторів

Основним способом захисту інтегральних мікросхем від впливу дестабілізуючих чинників (температури, вологості, сонячної радіації, пилу, агресивних хімічних і біологічних середовищ, механічних впливів) є герметизація. Її здійснюють за допомогою спеціально розроблених конструкцій - корпусів, в яких розміщують ГІС, або нанесенням захисних матеріалів безпосередньо на поверхню ГІС.

В даний час безкорпусні ГІС розробляються для експлуатації в складі осередків та блоків мікроелектронної апаратури, які піддаються загальної герметизації.

Герметизація закінченого функціонального пристрою, яким є інтегральна мікросхема, дозволяє одночасно захистити від впливу навколишнього середовища всю сукупність елементів схеми.

Початковим етапом герметизації часто є попередня захист поверхні ГІС. Для цього використовують плівки SiO _2, SiO, GeO, негативний фоторезист ФН-103. Поверх цих порівняно тонких шарів електрично і хімічно інертних матеріалів наносять герметики: лаки ФП-525, УР-231, емаль ФП-545, компаунди Ф-47, ЕК-91, ПЕП-177, ВЕК-19. Лаки і емалі наносять у електростатичному полі розпиленням з пульверизатора, зануренням або поливом. Компаунди наносяться методом обволікання або вихровим напиленням до утворення оболонки товщиною 0,2 ... 1,2 мм [4].

Забезпечення вологозахисту

Необхідність вологозахисту ГІС виникає при використанні герметизуючих полімерних матеріалів. На відміну від неорганічних ці ​​матеріали мають підвищеними значеннями влагопоглощенія і вологопроникність.

Втрата працездатності ГІС, герметизованих в монолітні конструкції, викликається поглинанням герметизуючим матеріалом вологи і зволоженням поверхні ГІС. При досягненні критичної концентрації, що відповідає критичному тиску парів води, настає відмова ГІС.

Як герметизуючого матеріалу використовуємо тиксотропний компаунд Ф-47 [4] [2008-00-992.07.00 СБ].

5.5 Забезпечення надійності гібридних інтегральних схем

Основні тенденції в розвитку сучасної електроніки - мініатюризація, інтегральне і гібридне виконання, використання нових фізичних ефектів - істотно ускладнюють прогнозування надійності на основі аналізу фізико-хімічних процесів, що відбуваються в приладах і системах. З іншого боку, це єдиний шлях науково-обгрунтованого прогнозування.

Традиційно, особливо в умовах масового виробництва, надійність виробів електронної техніки й окремих компонентів визначалася статистичними методами, на основі спеціальних випробувань або за результатами експлуатації. Це свого часу дозволило неухильно підвищити показники надійності й досконалості технології виробництва. Проте останнім часом метод випробувань став малоефективний з наступних причин.

1) Підвищення надійності компонентів і пристроїв зробило тривалість випробувань на відмову дорогою і практично нездійсненною.

2) Проведення, так званих, прискорених випробувань, вимагає знання і розуміння механізмів відмови, тобто складних фізико-хімічних процесів, що відбуваються в елементах, компонентах і виробах у цілому.

3) Оновлення мікросхем йде настільки динамічно, що випробування, як такі, взагалі часом втрачають сенс. Крім того, фірми-виробники, як правило, переходять на мікросхеми приватного застосування, що розробляються і випускаються малими серіями для конкретного пристрою.

Всі перераховані вище причини вказують на необхідність розробки розрахункових методів прогнозування надійності компонентів і виробів на основі знання властивостей вихідних матеріалів, технологічних процесів та особливостей їх конструкції. Проте в даний час розробка таких методів з застосуванням фізичного та математичного моделювання по суті тільки починається і є предметом швидше науки, ніж практики.

У даній дипломній роботі здійснюється прогностичний розрахунок надійності [9].

Так як інтенсивності відмов комплектуючих виріб елементів є складною багатопараметричної функцією, то математична модель прогностичного розрахунку надійності простого вироби представляється у вигляді:

, (5.43)

де L - сумарне значення інтенсивності відмов модуля;

До _е - коефіцієнт залежності від умов експлуатації;

К _у - коефіцієнт зростання надійності комплектуючих виробів;

l _pi - робоча інтенсивність відмов i-ого комплектуючого елемента.

Робочі інтенсивності відмов комплектуючих елементів визначаються залежністю:

, (5.44)

де l _0i - довідкове значення інтенсивності відмов i-ого комплектуючого елемента для нормальних умов [9];

а _i - поправочний коефіцієнт, що враховує вплив електричної та теплової навантаження елемента на інтенсивність його відмов [9].

Середній час безвідмовної роботи визначається відношенням:

. (5.45)

Всі дані по розрахунку інтенсивності відмов ГІС зведені в табл. 5.1.

Таблиця 5.1 Розрахунок інтенсивності відмов модуля

Маємо: До _е = 1; К _у = 0,95.

Інтенсивність відмов ГІС у цілому:

L = 6,1579 × 10 ^-7 1/час.

Середній час безвідмовної роботи:

Т = 1623930 годин або 185 років, що задовольняє параметрами надійності.

6. ВИСНОВОК

У ході дипломної роботи був розроблений автоматизований п'єзоелектричний вимірювач вологості для контролю технологічних середовищ, параметри якого повністю задовольняють вимогам технічного завдання. Вимірювач дозволяє з достатньо високою точністю визначити рівень вологості, який є важливим параметром багатьох технологічних процесів, і від якого надалі залежить працездатність і якість майбутнього виробу.

У рамках роботи розроблена структурна, функціональна і принципова схеми пристрою, топологія і конструкція вимірювача у вигляді ГІС. Здійснені дослідження залежності частоти пьезокварцевого сенсора від вологості газового середовища.

У технологічному розділі наведено обгрунтування вибору матеріалів для ГІС; розглянуті методи формування тонкоплівкових структур; описані техпроцес виробництва вимірювача і його випробування.

У конструкторському розділі розрахована конструкція вимірювача у вигляді ГІС; визначено методи захисту вимірювача від дестабілізуючих факторів і розрахована надійність виробу.

В організаційно-економічному розділі розроблений мережевий графік виконання дипломної роботи і зроблено розрахунок параметрів економічної ефективності:

1. витрати на НДДКР - 23300 руб.;

2. собівартість виробу - 483 руб.;

3. економічний ефект за 5 місяців - 5105 руб.

У рамках розділу охорони праці проведено аналіз потенційно небезпечних і шкідливих виробничих факторів на робочому місці.

Розроблений вимірник має наступні параметри:

1. діапазон вимірюваної вологості 10 ... 100%;

2. похибка вимірювача 1%;

3. середній час безвідмовної роботи 185 років.

Вимірювач вологості в різних своїх модифікаціях може вбудовуватися в технологічні обсяги або різне обладнання. Він дозволяє легко і швидко аналізувати результати, дає можливість автоматичного контролю або аналізу вологості в сполученні з різними пристроями управління технологічними процесами або ЕОМ.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Бігунів А.А. Теоретичні основи та технічні засоби гігрометри. Метрологічні аспекти. - М.: Видавництво стандартів, 1988. - 176 с. з іл.

2. Левшина Є.С., Новицький П.В. Електричні вимірювання фізичних величин: (Вимірювальні перетворювачі). Учеб. посібник для вузів. - Л.: Вища школа. Ленінгр. отд-ня, 1983. - 320 с., Іл.

3. Аванесян Г.Р., Левшин В.П. Інтегральні мікросхеми ТТЛ, ТТЛШ: Довідник. - М.: Машинобудування, 1993. - 256 с.: Іл.

4. Конструювання і технологія мікросхем. Курсове проектування: Учеб. посібник для вузів / Коледов Л.А., Волков В.А., Докучаєв Н.І. І ін; Під ред. Л.А. Коледова. - М.: Вищ. шк., 1984. - 231 с., Іл.

5. Конструкції та технологія мікросхем приватного застосування: Учеб. посібник до курсового проекту / В.Г. Сергієв, Б.М. Лисов, В.Є. Нікітін, А.Д. Французів; Під ред. В.Г. Сергієва. - Челябінськ: ЧПІ, 1983. Ч. I. - 78 с.

6. Сергієв В.Г., Колмакова Н.С., Смислова Р.В. Технологія мікроелектронних пристроїв: Навчальний посібник / За ред. В. М. Березіна. - Челябінськ: Вид. ЧДТУ, 1996. - 93 с.

7. В.Г. Сергієв та ін Конструкції та технологія мікросхем приватного застосування: Учеб. посібник до курсового проекту / В.Г. Сергієв, Б.М. Лисов, В.Є. Нікітін, А.Д. Французів; Під ред. В.Г. Сергієва. - Челябінськ: ЧПІ, 1984. Ч. II. - 82 с.

8. Єфімов І.Є., Кальман І.Г., Мартинов В.І. Надійність твердих інтегральних схем. Вид. 2-е, испр. М., Видавництво стандартів, 1979, с. 217.

9. Едренкін Е.Д., Березін В.М. Розрахунок надійності електронних засобів: Навчальний посібник. - Челябінськ: Вид. ЮУрГУ, 1999. - 18 с.

10. Мережеві методи планування і управління: Методичні вказівки до курсового проекту для студентів приладобудівного факультету / Укладачі: В.С. Зінкевич, Л.А. Баєв, Н.П. Мєшкової. - Челябінськ: Вид. ЮУрГУ, 1998. - 22с.

11. Організаційно-економічний розділ дипломного проекту конструкторського напрямки: Учеб. посібник для студентів приладобудівного факультету / Мєшкової Н.П., Закіров Р.Ш., Зінкевич В.С., Попов Г.С.; Під ред. Н.П. Мєшкова. - Челябінськ: ЧДТУ, 1990. - 53 с.

12. Методичні вказівки з дипломного проектування для студентів приладобудівного факультету. (Розділ "Охорона праці") / Упорядник Н.М. Мірзаєва; Під ред. А.І. Сидорова. - Челябінськ: ЧПІ, 1989. - 15 с.

13. Охорона праці та навколишнього середовища в радіоелектронній промисловості / К.Н. Ткачук, Р.В. Сабарно, А.Г. Степанов, Е.Н. Шкляренко: Учеб. посібник. - К.: Вища шк. Головне видавництво, 1988. - 240 с., Іл.

14. Охорона праці в електроустановках: Підручник для вузів / Під ред. Б.А. Князівське. - 3-е изд., Перераб. і доп. - М.: Вища школа, 1983. - 336 с., Іл.

15. Долін П.А. Основи техніки безпеки в електроустановках: Учеб. посібник для вузів. - 2-е вид., Перераб. і доп. - М.: Вища школа, 1984. - 448 с., Іл.

16. Усатенко С.Т., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Виконання електричних схем по ЕСКД. Довідник. - 2-е вид., Перераб. і доп. - М.: Видавництво стандартів, 1992. - 316 с.

17. Розробка та оформлення конструкторської документації РЕА: Справ. посібник / Е.Т. Романичева, А.К. Іванова, А.С. Куликов, Т.П. Новікова. - М.: Радіо і зв'язок, - 1984. - 256 с., Іл.