Государственный экзамен по специальности 210201 – «Проектирование и технология радиоэлектронных средств»

50

При последующем тепловом расчете и оптимизации конструкции термостата выполняют:

1)расчет стационарного режима (выбор размеров, теплофизических параметров материалов, мощности нагревателя и т.п.);

2)оценку неравномерности поля температур в объекте и камере;

3)анализ стационарного и нестационарного тепловых режимов термостатируемого объекта по отношению к камере термостата и окружающей среде для уменьшения статических ошибок термостата;

4)расчет нестационарного теплового режима (определение теплоинерционных свойств объекта, элементов и термостата в целом; расчет переходного процесса и влияния изменения внешних условий на точность термостатирования; получение уравнений динамики термостата, объекта и датчика температуры);

5)анализ работы электрической схемы автоматики для стабилизации температуры;

6)расчетно-экспериментальное моделирование геометрических, теплофизических, статических и динамических характеристик термостата;

7)оптимизацию конструкции с учетом типовых решений.

При включении мощности нагревателя переходный процесс в термостате рассчитывается по приближенной формуле:

где к – температура камеры; к.ст –температура камеры в режиме стабилизации; t – время; к – тепловая инерционность термостата; н – мощность нагревателя; 1с – тепловая проводимость объект-среда.

Температура на поверхности объекта при включении регулятора может быть найдена по приближенной формуле:

где 1 – тепловая инерционность объекта термостатирования.

Длительность переходного процесса t2 (время выхода в заданный режим стабилизации) определяется как:

где t1 – время выключения нагревателя при температуре нагревателя н (рисунок 12.3).

Время выхода в режим t2 может быть уменьшено за счет включения большей мощности нагревателя.

51

Рисунок 12.3 – График зависимости температуры нагревателя (1) и объекта термостатирования (2) от времени работы термостата при входе

в режим стабилизации

Квазиустановившийся (автоколебательный) режим термостата – это такой режим, при котором колебания температуры внутри камеры с объектом термостатирования происходят в заданном узком интервале вследствие работы автоматической системы управления нагревателем.

52

Вопрос № 13. Конструирование и расчет гибридных интегральных схем.

Интегральная микросхема – это конструктивно законченное изделие электронной техники, выполняющее определенную функцию преобразования информации и содержащее совокупность электрически связанных между собой ЭРЭ, изготовленных в едином технологическом цикле.

Гибридные ИС (ГИС) представляют собой комбинацию пленочных пассивных ЭРЭ с миниатюрными бескорпусными активными дискретными приборами (полупроводниковыми ИС, транзисторами, диодами), расположенных на общей диэлектрической подложке.

ЭРЭ, которые являются неотъемлемой составной частью ИС и не могут быть выделены из нее как самостоятельное изделие, называют элементами ИС, а дискретные активные ЭРЭ ГИС – навесными компонентами (или просто компонентами). В отличие от дискретных компонентов, элементы ИС называют интегральными (интегральный резистор, интегральный диод). Элементы ИС располагаются на одной подложке на сравнительно небольших расстояниях друг от друга и формируются одновременно. Это обуславливает малый технологический разброс их параметров.

ГИС в зависимости от применяемой технологии делятся на толстопленочные и тонкопленочные.

В ГИС электрические связи осуществляются с помощью пленочного или проволочного монтажа. Исходя из особенностей конструкции элементов и защиты от внешних воздействий (влага, пыль, газы, механические воздействия и др.) ГИС разделяют на корпусированные и бескорпусные. В первом случае подложки с элементами устанавливаются в специальные корпуса, а во втором – они заливаются компаундом.

Конструирование ГИС начинают с выбора материала подложки, на поверхности которой по заданному рисунку формируются пленочные элементы ГИС. Материалы подложек должны обладать:

-высоким удельным сопротивлением;

-малыми потерями на высоких частотах и при высоких температурах;

-достаточной электрической прочностью;

-иметь ТКЛР равный или близкий к ТКЛР наносимого на подложку пленочного материала;

-инертностью по отношению к наносимым материалам;

-иметь низкую стоимость;

-для толстопленочных ГИС поверхности подложек должны обрабатываться по 8…12 классам чистоты (микронеровности 1…2 мкм), для тонкопленочных ГИС – по 12…14 классам (микронеровности 50…200 нм).

Для тонкопленочных маломощных ГИС наиболее часто используют подложки из ситалла СТ-50-1, для мощных ГИС используют поликор, а для особо мощных – бериллиевую керамику, имеющую очень высокое значение

53

коэффициента теплопроводности (210 Вт/(м∙0С)). Для толстопленочных ГИС наиболее часто используют дешёвую керамику ВК94 (22ХС), реже поликор и бериллиевую керамику. В последнее время для толстопленочных ГИС начали использовать подложки из оксидированного алюминия и эмалированные подложки, а подложки из стекла перестали применять из-за низкой временной стабильности их свойств. Толщина подложек составляет 0.35…0.5 мм.

Размеры плат подложек, применяемых в корпусах, определяются конкретной конструкцией корпуса. В основном применяются платы подложки с размерами, получаемыми при безотходном делении стандартной подложки

60 48 мм.

После выбора материала подложки выбирают навесные компоненты ГИС, а затем переходят к разработке топологии, которую рекомендуется проводить в одинаковой для тонкопленочных и для толстопленочных ГИС последовательности:

-составление схемы соединений элементов на плате;

-расчёт конструкции пленочных элементов;

-определение необходимой площади платы и согласование типоразмеров корпуса, выбранного для ГИС;

-разработка эскиза топологии, оценка качества топологии и при необходимости её корректировка.

Для составления схемы соединений на принципиальной электрической схеме выделяют пленочные элементы и навесные компоненты, намечают порядок их расположения и проводят упрощение схемы соединений с целью уменьшения числа пересечений проводников и сокращения длины проводников.

Расчёт конструкции пленочных элементов производят с учётом тех-

нологических ограничений. Например, для тонкопленочных ГИС точность изготовления линейных размеров пленочных элементов ±0.01 мм, а для толстопленочных ГИС ±0.1 мм. Пленочные элементы тонкопленочных ГИС изготавливают с помощью масочного метода с точностью изготовления пленочных элементов ±10% (при мелкосерийном и серийном производстве), фотолитографических и комбинированных методов с точностью изготовления пленочных элементов ±1% (при серийном и массовом производстве). Пленочные элементы толстопленочных ГИС изготавливают с помощью сеткографического метода с точностью изготовления пленочных элементов без подгонки ±30% и ±2% с лазерной подгонкой. Номиналы резисторов R рассчитывают по формуле:

где Rڤ – величина сопротивления квадрата плёнки из выбранного материала для данной технологии нанесения плёнки; b – ширина, l – длина.

Минимальный размер резистора определяется с учётом возможностей выбранной технологии, заданной точности и допустимой удельной мощности рассеяния (Вт/мм2).

54

Конструирование конденсаторов заключается в расчете площади перекрытия обкладок, выборе формы обкладок и расположении выводов. Нижняя обкладка должна выступать за края верхней, а диэлектрическая плёнка должна выступать за край нижней обкладки.

Исходными данными являются:

-номинальное значение ёмкости С и её предельное отклонение;

-рабочее напряжение;

-условия эксплуатации;

-технологические погрешности.

Рекомендуемый порядок расчёта:

-выбирают материал и определяют толщину диэлектрического слоя;

-по таблицам находят значение удельной емкости диэлектрического слоя конденсатора;

-вычисляют активную площадь конденсатора:

где S R, S C, S K – площади, занимаемые всеми резисторами, конденсаторами, контактными площадками; S HK – суммарная площадь навесных компонентов, которые не могут быть расположены над пленочными элементами.

Разработку топологии завершают выбором корпуса, разработкой эскиза топологии, оценкой качества топологии и при необходимости её корректировкой.

55

Вопрос № 14. Тонко- и толстопленочная технология, сравнительный анализ их применения, основные материалы.

Тонкопленочная и толстопленочная технологии отличаются друг от друга методами получения пленочных элементов. Для получения рисунка тонкоплёночных элементов используют методы фотолитографии и масочный, а также совмещенный. Рисунок толстопленочных элементов получают методом трафаретной печати (сеткографии).

Толстопленочная технология намного проще тонкопленочной технологии, использующей дорогостоящее вакуумное оборудование, и имеет более короткий путь освоения. Благодаря большой толщине толстопленочные резисторы имеют повышенную удельную мощность рассеивания. Основные

недостатки толстопленочной технологии по сравнению с вакуумными методами – ограничение минимальных размеров пленочных элементов и,

следовательно, меньшая точность их изготовления и меньшая степень интеграции.

Микронеровности подложки должны быть на порядок меньше толщины элементов. При толщине толстоплёночных элементов от 15 до 70 мкм по-

верхности подложек должны обрабатываться по 8…12 классам чистоты

(микронеровности 1…2 мкм). Если поверхности будут более гладкими, то может произойти отслаивание плёнок из-за плохой адгезии их к поверхности подложки при вжигании паст. Толщина тонкоплёночных элементов порядка

1 мкм, поэтому для тонкоплёночных ГИС поверхности подложек должны обрабатываться по 12…14 классам чистоты (микронеровности 50…200

нм). Если поверхности будут менее гладкими, то будет велика неравномерность толщины тонкоплёночных элементов, что может привести к пробою конденсаторов и выходу из строя резисторов. Для тонкоплёночных ГИС выбирают химически стойкие материалы подложек, которые при обработке дают гладкую поверхность, например, ситалл СТ-50-1, полированный кварц, сапфир. Для подложек толстоплёночных ГИС выбирают материалы, обладающие высокой физической и химической стойкостью при нагреве до 800 0С и большой теплопроводностью (бериллиевая керамика, поликор, высокоглинистая керамика ВК-94).

Для изготовления толстопленочных элементов применяют пасты,

которые наносят на подложку с помощью ракеля (эластичной резиновой лопатки) продавливанием через сетчатый трафарет, имеющий открытые и закрытые участки. Растекаясь, столбики пасты, копирующие отверстия сетки, сливаются, образуя такой же рисунок, как на трафарете. В связи с разработкой светочувствительных паст трафаретный метод можно заменить фотолитографией, что повысит точность размеров толстопленочных элементов. Пасты после нанесения подвергают сушке, а затем вжиганию в печах конвейерного типа.

56

Вкачестве основных материалов в проводящие и резистивные пасты входят металлы: золото, серебро, платина, палладий, индий, осмий, а также сплавы: Pt-Au, Pd-Ag, Pd-Au и др. С целью экономии драгоценных металлов для формирования резисторов применяют соединения Ag-Ru, Bi-Ru, Ru-In и пасты на основе рутения. Основным материалом для диэлектрической пасты служит размельчённая керамика с высокой диэлектрической проницаемостью

и с малым углом электрических потерь в диэлектрике tg . Для межслойной изоляции используют кристаллизирующиеся стекла с малым значением . Для хорошего сцепления пленки с платой и связывания частиц основного материала между собой в состав паст вводят порошок стекла. Точность изго-

товления элементов толстопленочных ГИС без подгонки ±30% и ±2% с

лазерной подгонкой.

Масочный метод получения рисунка тонкоплёночных элементов со-

стоит в том, что с помощью фоторезиста на поверхности фольги создают рисунок и затем эту поверхность протравливают. На фольге получаются окна, соответствующие по форме наносимым элементам. Недостаток этого метода в том, что невозможно получить замкнутый контур, спираль и даже незамкнутый, но сложно-ажурный контур. Масочный метод используют при мелкосерийном и серийном производстве, при этом точность изготовления

пленочных элементов ±10%.

Сущность получения рисунка тонкоплёночных элементов методом фотолитографии заключается в засвечивании слоя светочувствительного материала и в последующем проявлении (удалении) засвеченной части (или наоборот не засвеченной). Фотолитографический и комбинированный методы используют при серийном и массовом производстве, при этом точность из-

готовления пленочных элементов ±1%.

Методы получения тонких пленок относятся к вакуумным (терми-

ческое и ионно-плазменное распыление).

Вкачестве резистивных материалов тонкоплёночных ГИС, используют чистые металлы и сплавы с высоким электрическим сопротивлением, а также специальные резистивные элементы – керметы, ко-

торые состоят из частиц металла и диэлектрика. Наиболее распространенный кермет: хром - моноокись кремния. Однако свойства керметов сильно зависят от технологических факторов. Следовательно, резисторы на основе керметов имеют худшую воспроизводимость номиналов и больший температурный коэффициент сопротивления по сравнению с резисторами на основе металлов. Наилучшими резистивными материалами для тонкоплёночных ГИС являются металлосилицидные сплавы Cr-Si, легированные добавками железа, никеля, кобальта, вольфрама (например МЛТ-3М, РС).

Материалы тонкоплёночных конденсаторов должны иметь высокую проводимость, коррозионную стойкость, совместимость с другими материалами, высокую механическую прочность. Наилучшим материалом является алюминий, но он имеет плохую адгезию к подложке. Поэтому для предот-

57

вращения отслаивания плёнки алюминия вначале напыляют слой титана или ванадия. В качестве диэлектрика часто используют моноокиси кремния и германия. Самым распространенным материалом проводников и навесных компонентов в тонкоплёночных ГИС повышенной надежности является золото с подслоем хрома, никеля или титана. С менее жесткими требованиями к надежности применяют пленки меди или алюминия с подслоем хрома, нихрома или титана. Для предотвращения окисления меди и улучшения условий пайки ее покрывают никелем, золотом или серебром.

58

Вопрос № 15. Защита РЭС от механических воздействий.

В процессе производства, транспортировки, эксплуатации и хранения РЭС испытывают различные механические воздействия (МВ): вибрации, ударные и линейные ускорения, акустические шумы, давление и комбинированные воздействия. В результате этих воздействий могут возникнуть повреждения или отказы РЭС.

Механические воздействия характеризуются перегрузкой, которая равна отношению ускорения а к ускорению силы тяжести g. Вибрации характеризуются амплитудой колебаний и частотой, а удар – длительностью и амплитудой ударного импульса.

Для бесперебойной работы РЭС необходимо обеспечить:

а) виброустойчивость, то есть свойство объекта сохранять работоспособность при заданной вибрации;

б) по возможности отсутствие механических резонансов элементов конструкции в заданном диапазоне частот вибрации;

в) вибропрочность, то есть способность объекта противостоять разрушающему механическому воздействию при заданной вибрации и после её прекращения;

г) прочность и устойчивость к действию ударов, акустического шума и давления, к комбинированным воздействиям, то есть прочность при указанных механических воздействиях и после их прекращения.

Защита РЭС от механических воздействий осуществляется следующими методами:

а) методами уменьшения интенсивности источников механических воздействий (балансировка, уменьшение зазоров, виброизоляция источника механических воздействий);

б) методами уменьшения воздействий (путём виброизоляции самого РЭС, демпфирования, устранения резонансов).

При проектировании РЭС сначала выясняют, нужны ли защитные мероприятия. Сравнивают величины допустимых МВ для применяемых элементов по техническим условиям (ТУ) с величинами МВ на объекте установки РЭС. Величины факторов МВ следует скорректировать с учетом возможного резонансного усиления колебаний. В случае, если уровни МВ превышают допустимые, предусматривают защитные мероприятия с оценкой их эффективности.

Основные способы защиты РЭС от наиболее распространенных видов МВ – вибраций и ударов – можно условно подразделить на три разновидности: повышение жесткости конструктивов, демпфирование и использование амортизаторов (виброизоляторов).

Эффективность способов виброзащиты можно оценить по АЧХ. В качестве критерия эффективности виброзащиты обычно служит значение коэф-

59

фициента динамичности η защищаемого объекта в диапазоне частот воздей-

где АВ0 – амплитуда колебаний несущего основания механической системы; АВ – амплитуда вынужденных колебаний защищаемого объекта.

Виброзащита за счет повышения жесткости конструктивных элементов блоков, которую можно обеспечить применением рёбер жесткости, отбортовок и выдавок, выбором материалов с большой удельной жёсткостью, оптимизацией геометрических размеров и другими способами, может быть пояснена с помощью АЧХ на рисунке 15.1, а. Если известен диапазон частот воздействующих (возбуждающих) вибраций от fн до fв, то элементы конструкции будут находиться в относительно благоприятных условиях функционирования, если вывести значения их собственных частот f0 из диапазона частот воздействий, обеспечив выполнение соотношения f0 > 2fв. Рассматриваемый способ виброзащиты обеспечивает значение коэффициента динамичности η = 1. Среди материалов для деталей максимальную удельную жесткость имеет пресс-материал АГ-4С (19.1 МДж/кг) и гетинакс-II (14.7 МДж/кг); удельная жесткость минимальна у фторопласта-4 (0.2 МДж/кг) и пенопласта ПС-1-350 (0.43 МДж/кг). У сталей, алюминиевых и магниевых сплавов удельная жесткость 22…25 МДж/кг.

а– АЧХ элемента конструкции при увеличении его жёсткости;

б– АЧХ элемента конструкции при увеличении степени демпфирования;

в– АЧХ амортизированного РЭС

Рисунок 15.1 – АЧХ устройств, защищаемых от вибраций

Использование демпфирующих покрытий и слоистых демпфирующих конструкций пояснено АЧХ, представленной на рисунке 15.1, б. Этот способ виброзащиты эффективен в широком диапазоне частот воздействующих вибраций, который может захватывать и область частот собственных колебаний.