Приложение 1 Пример расчета гис частного применения

В качестве примера рассмотрим расчёт некоторых элементов и разработку топологической структуры устройства, электрическая схема которого приведена на рис. В технических требованиях на разработку заданы:

• диапазон рабочих температур от -20˚ С до +150˚ С;

• время работы 5000 часов;

• вид производства – серийное, объём 6 тыс. в год.

Произведём расчёт сопротивлений резисторов R₁, R₄ и конденсаторов С₁, С₃. Мощности рассеивания данных резисторов составляют – Р₁=25 мВт, Р₄=20 мВт, допустимые отклонения резисторов от номинала составляют _or1 =15%, _or4=10 %.

Погрешность старения резисторной плёнки _ORст =2%, погрешность воспроизведения материала резисторной пленки _ор= 3,5%

Ёмкости конденсаторов С₁=600пФ, С₃= 1080пФ, допустимое отклонение ёмкости от номинала _ос=20%, рабочее напряжение U_p=70В, погрешность воспроизведения удельной ёмкости _Oсо =5%, погрешность старения _OСст=1%.

В качестве материала подложки выберем ситалл СТ50, размеры платы выбираются после расчёта всех пленочных элементов и разработки топологического чертежа.

Определим оптимальное сопротивление квадрата резисторной пленки из соотношения (3):

_

По таблице 3 выбираем материал резисторной пленки ближайшим к _sопт значением – кермет 50°С . Его параметры _s=3000 Ом/

TKR= 3·10^-4 1/ ⁰C, Р=2 Вт/см².

Проверим правильность выбранного материала. В соответствии с соотношением (6)

_ОRt=3·10^-4·120·100=3,6%, а допустимая погрешность для коэффициента формы для наиболее точного резистора из (5)

_ОKф > 10 - 3,5 - 3,6 - 2 - 2=10 - 11,1= -1,1 < 0;

Это означает, что изготовление резисторов R₄ и R12 с заданной точностью из данного материала невозможно. Необходимо выбрать другой материал или применить подгонку резистора R₄ и R₁₂

Выберем материал, который имеет меньшую температурную погрешность - сплав РС-3001, тогда δ_ORt=0,2·10·120·100=0,24% и δ_ОКф4=2,26%. Параметры РС-3001: ρ_s = 1000 Ом/□, TKR=0,2·10^-4 1/ ⁰C, P₀=20мВт/мм. Данный материал подходит для изготовления всех резисторов с заданной точностью без подгонки.

Оценим форму резисторов по значению К_ф из (8):

K_ф1=3,8·10³/10³=3,8; K_ф4=200/10³=0,2

Выбираем прямоугольную форму всех резисторов, причем у R₄ длина меньше ширины.

Далее анализируем технологические возможности и выбираем метод формирования элементов. Поскольку все резисторы имеют прямоугольную форму, нет ограничений по площади подложки и точность в основном не высока выбираем метод свободной маски. По таблице I определяем технологические ограничения на масочный метод: Δb=Δl=0,01 мм, b_техн =0,01 мм, l_техн=0,3, a_min=0,3мм, b_min=0,1 мм.

Позиционное обо-значение	Наименование	Кол.	Примечание
R1	Резистор 3,8 кОм 15%	1
R2	Резистор 14,2 кОм 15%	1
R3	Резистор 200 кОм 10%	1
R4	Резистор 4,2 кОм 15%	1
R5	Резистор 1 кОм 15%	1
R6	Резистор 2,7 кОм 20%	1
R7	Резистор 12 кОм 20%	1
R8	Резистор 5 кОм 20%	1
R9	Резистор 1 кОм 15%	1
R10	Резистор 10 кОм 20%	1
R11	Резистор 5 кОм 20%	1
R12	Резистор 750 Ом 10%	1
R13	Резистор 12 кОм 20%	1
R14	Резистор 12,2 кОм 20%	1
C1	Конденсатор 60020%	1
C2	Конденсатор 57020%	1
C3	Конденсатор 108020%	1
C4	Конденсатор 30020%	1
C5	Конденсатор 57020%	1
C6	Конденсатор 120020%	1
C7	Конденсатор 53020%	1
VT1, VT2	Транзистор 27333Б	2
VT3, VT5	Транзистор 27313Г	2
VT4	Транзистор 27312В	1

Рис. П1. Схема электрическая принципиальная

Рассчитываем каждый из резисторов.

Резистор R_1.

Расчетную ширину определяем из (9)(11)

мм

мм

Принимаем b₁=0,6 мм, тогда

l₁=0,6·3,8=2,28 мм.

Найдем полную длину резистора из (13)

l_полн=2,28 мм + 2l_к,

Из таблицы 1 l_к ≥0, 2 мм; l_полн = 2,48 мм. Площадь резистора

S_R1= 0,6·2,48 = 1,49 мм².

Для проверки расчета определяем действительную удельную мощность и погрешность изготовления по формулам (19) ÷ (21):

мВт/мм² <20 мВт/мм² ;

;

.

Резистор R4

Поскольку коэффициент формы резистора R4 меньше 1, расчет начинаем с определения длины - l₄ по (15)-(17):

l_техн=0,3 мм ;

;

.

С учетом округления принимаем l₄=0,54 мм.

Площадь резистора R₄ – S_R4 = 2,54 мм².

Произведём проверку:

мВт/мм² <20 мВт/мм² ;

;

Расчёт остальных резисторов производится аналогичным образом.

Произведём расчет конденсаторов С1 и С3.

На основе анализа исходных данных выбираем материал диэлектрика для конденсаторов – боросиликатное стекло, имеющего следующие параметры:

 = 4, tg = 0,0015, _проб = 3·10⁶ В/см, ТКЕ = 0,35·10^-4 1/ ⁰C

Найдём минимальную толщину диэлектрика d_min и удельную ёмкость, необходимую для обеспечения заданной электрической прочности из соотношений (29) и (28):

см ;

пФ/см² .

Температурная погрешность ёмкости из (32)

,

а допустимая погрешность активной площади конденсатора из (30)

.

Минимальную удельную ёмкость для обеспечения точности изготовления наименьшего по номиналу конденсатора С₄ (см. перечень элементов на рис. П1) определяем из (39):

пФ/см² .

Определим удельную ёмкость наименьшего по номиналу конденсатора с учетом технологических возможностей изготовления по площади перекрытия обкладок и толщине диэлектрика в соответствии с таблицей 1.

S_min = 0,5·0,5 мм², C_{o min}= 300/(0,25·10^-2) = 12·10⁴ пФ/см²

Таким образом, из полученных трёх значений ёмкости C₀ , С_0точн , C_{0 min} в соответствии с (42) выбираем минимальное C₀=5000 пФ/см². Расчетная величина толщины диэлектрика для данного значения C₀ составляет 0,7 мкм, что удовлетворяет условиям тонкоплёночной технологии.

Определим геометрические размеры конденсаторов C₁ и C₃. Для C₁ и C₃ отношения C₁/C=600/5000=12·10^-2 см² = 12 мм², а C₃/C=1080/5000=0,216 см² = 21,6 мм², коэффициент, учитывающий краевой эффект равен 1, поэтому площади верхних обкладок соответственно равны S₁=12 мм², S₃=21,6 мм². Если проектировать конденсаторы квадратной формы, то размеры верхних обкладок составят L₁=B₁=3,46 мм, L₃=B₃=4,65 мм.

Размеры нижних обкладок:

L_H1=B_H1=3,45+2·2,02=3,86 мм

L_H3=B_H3=4,65+2·0,2=5,05 мм .

Размеры диэлектрика:

L_д1=B_д1=3,86+0,2=4,06 мм

L_H3=B_H3=5,05+0,2=5,25 мм .

Аналогичным образом определяются размеры всех остальных пленочных конденсаторов ГИС.

В качество примера выполнения топологической структуры ГИС Рис. П2 приведены чертеж топологии платы, соответствующей принципиальной электрической схеме рис. П1, а на рис. П3 и рис П4 чертежи отдельных слоев (резистивного и слоя верхних обкладок конденсаторов). Топологический чертеж выполнен для групповой технологии. Отдельные варианты исполнения получаются при резке проводников, соединяющие отдельные элементы на плате. Места резки показаны знаком ▼Ο. Знаками  выделены места под установку навесных компонентов - транзисторов VT₁-VT₄. На чертежах слоёв приводятся таблицы с координатами X и Y вершин пленочных элементов. Электрическое соединение элементов производятся с помощью пленочных проводников и нижних обкладок конденсаторов.

Таблица 1.
Условное обозначение слоя	Наименова-ние слоя	Материал слоя					Номер листа чертежа
		Наимено-вание, марка	ГОСТ, ОСТ, ТУ	Очередь нанесения	Электрич. характерис-тика	Метод нанесе-ния
	Резистор	Сплав РС-3001		-	=1000 Ом/	Вакуум-ное напыле-ние через маску	2
	Проводники и контактные площадки	Нихром Х20Н30		1	0,1 Ом/		3
		Золото		2
	Нижняя обкладка кондесатора	Титан		1	0,2 Ом/		4
		Алюми-ний А89		2
	Диэлектрик	Бороси-ликатное стекло		-	С=5000 мкФ		5
	Верхняя обкладка конденса-тора	Алюминий А89		-	0,2 Ом/		6
	Защитный слой	ФоторезистФН103		-	-	Фотолито-графия	7

1. *Размеры для справок.

2. Элементы слоя выполнять по координатам, приведённым в таблицах на соответствующих листах.

3. Площадь напыления золота 45 мм², толщина напыления 0,4 – 0,5 мкм.

4. Характеристики отдельных слоёв приведены в табл.1 и 2.

5. Знаками О - О условно показаны места резки проводников (связей).

6. Номера контактных площадок и обозначения элементов показаны условно и соответствуют схеме электрической принципиальной АБ3.430.004.03

7. Внешний вид платы должен соответствовать требованиям инструкции АБО.005.021

Позиционное обозначение	Точки измерения		Проверяемый номинал и допускаемые отклонения		Отноше-ние мощнос-тей
	После 2-го слоя	После 6-го слоя	После 2-го слоя	После 6-го слоя
R1	23-24	-	3,6 кОм15%	-	<0,1
-	-	9-23	-	3,4 кОм15%	-
R2	4-23	-	14 кОм15%	-	<0,1
-	-	4-23	-	8,9 кОм15%	-
R3	2-3	2-3	4,2 кОм20%	4,2 кОм20%	<0,1
R4	8-9	8-9	200 кОм20%	200 кОм20%	<0,1

Рис. П2

Обозначение элемента	Номер вершины	Координата, мм.
		Х	У
Резистор R12	1 2 3 4	1,41 1,41 2,82 2,82	9,36 9,87 9,87 9,36
А	1 2 3 4 5 6	0,96 0,96 1,15 1,15 1,41 1,41	12,69 13,2 13,2 13,0 13,0 12,69
Б	1 2 3 4 5 6	1,79 1,79 2,05 2,05 2,24 2,24	11,95 12,05 12,05 12,30 12,30 11,92
В	1 2 3 4 5 6	3,80 3,80 4,36 4,36 3,97 3,97	2,65 9,10 9,10 8,91 8,91 8,65
Г	1 2 3 4 5	4,60 4,60 5,00 5,00 5,19	7,88 8,08 8,08 8,33 8,33

Р ис. П3

Обозначение элемента	Номер вершины	Координата, мм.
		Х	У
С3	1 2 3 4	1,02 1,02 4,74 4,74	1,79 5,51 5,51 1,79
С5	1 2 3 4 5 6 7 8	1,02 1,02 2,56 2,56 2,95 2,95 5,25 5,25	5,89 8,08 8,08 8,97 8,97 6,92 6,92 5,89
С4	1 2 3 4 5 6	8,46 8,46 9,61 9,61 10,13 10,13	1,79 3,72 3,72 5,51 5,51 1,79
С6	1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12	14,49 14,49 11,67 11,67 14,10 14,10 16,20 16,20 15,38 15,38 14,74 14,74	0,77 1,79 1,79 6,41 6,41 10,0 10,0 9,34 9,34 7,82 7,82 0,77

Рис. П4