Met_Ukaz_PZ_MKREA

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до практичних занять з курсу

«МАТЕРІАЛИ ТА КОМПОНЕНТИ РЕА»

для студентів денної та заочної форм навчання напряму

6.050901 «Радіотехніка»

Затверджено кафедрою РЕС. Протокол № 13 від «25.05» 2011 р

Харків 2011

Методичні вказівки до практичних занять з курсу «Матеріали та компоненти РЕА» для студентів, що навчаються за напрямом 6.050901 «Радіотехніка» / Упоряд. І.В. Савченко – Харків: ХНУРЕ, 2011. – 49 с.

Упорядник: І.В. Савченко

Рецензент: О.В. Зубков, к.т.н., доц. каф. РЕС ХНУРЕ

2

ЗМІСТ

Вступ……………………………………………………………………… 4 1 Розрахунок плівкових резисторів…………………………………….. 4

1.1Мета заняття…………………………………………………………. 4

1.2Основні визначення та розрахункові співвідношення……………. 5

1.3Методика розрахунку плівкових резисторів………………………. 9

1.4Приклади аудиторних і контрольних задач………………………... 11 2 Розрахунок плівкових конденсаторів………………………………… 13

2.1Мета заняття…………………………………………………………. 13

2.2Основні визначення та розрахункові співвідношення……………. 13

2.3Методика розрахунку плівкових конденсаторів…………………... 18

2.4Приклади аудиторних і контрольних задач………………………... 20 3 Розрахунок плівкових індуктивних елементів………………………. 22

3.1Мета заняття…………………………………………………………. 22

3.2Основні визначення та розрахункові співвідношення……………. 23

4.1Мета заняття…………………………………………………………. 32

4.2Основні визначення та розрахункові співвідношення……………. 32

4.3Приклади аудиторних і контрольних задач……………………….. 38 5 Властивості електронно-діркового переходу………………………... 40

5.1Мета заняття…………………………………………………………. 40

5.2Основні визначення та розрахункові співвідношення……………. 40

5.3Приклади аудиторних і контрольних задач………………………... 46

Перелік посилань………………………………………………………… 48

3

ВСТУП

Курс «Матеріали та компоненти РЕА» входить до циклу фундаменталь-

них та професійно-орієнтованих дисциплін і викладається студентам радіотехнічного факультету в перший рік навчання. Успішне засвоєння цього курсу є обов’язковим для подальшого розуміння принципів функціонування радіоелектронної апаратури та забезпечує майбутньому бакалавру базу для вивчення та-

ких класичних радіотехнічних дисциплін, як «Основи теорії кіл», «Сигнали та процеси в радіотехніці», «Цифрові пристрої» тощо.

Мета методичних вказівок – допомогти студентам самостійно підготуватися до практичних занять з основних розділів курсу, закріпити теоретичні знання, отримані на лекціях, підготувати студентів до розв’язання практичних питань, пов’язаних з розрахунками резисторів, конденсаторів,

котушок індуктивності, напівпровідникових приладів та визначенням їх основних електричних характеристик.

Кількість розділів в методичних вказівках обумовлена кількістю практичних занять по курсу «Матеріали та компоненти РЕА» для студентів, що навчаються за напрямом 6.050901 «Радіотехніка».

У кожному розділі наведені основні визначення та розрахункові співвідношення, стислі теоретичні відомості, приклади основних типів аудиторних і контрольних задач. Подано достатню кількість задач для самостійного розв’язання. В розділах, присвячених розрахункам пасивних компонентів, наведені практичні методики розрахунку конструкцій резисторів,

конденсаторів і котушок індуктивності. Методичні вказівки містять також всю необхідну для вирішення задач довідникову інформацію по провідниковим,

резистивним, діелектричним та напівпровідниковим матеріалам.

1 РОЗРАХУНОК ПЛІВКОВИХ РЕЗИСТОРІВ

1.1 Мета заняття

Метою практичного заняття є закріплення теоретичних знань з основних електричних характеристик резисторів та вивчення зв’язку цих характеристик з розмірами та матеріалом резистивної смужки, методом формотворення топології мікросхем, мікрозбірок або друкованих плат. В ході заняття студенти повинні засвоїти методику розрахунку тонкоплівкових та твостоплівкових

4

резисторів з постійним опором, навчитися грамотно обирати матеріал резистивної плівки та конфігурацію резистора.

1.2 Основні визначення та розрахункові співвідношення

В радіоелектронній апаратурі (РЕА) широке застосування знаходять резистори, що виготовляються промисловістю у вигляді дискретних елементів для монтажу на друковану плату. Існує велике розмаїття видів таких резисторів, велика кількість технологій їх виготовлення, декілька систем маркування їх основних електричних параметрів. Внаслідок браку часу, на практичному занняті розглядається лише один різновид резисторів з постійним опором – плівкові резистори як частина друкованої плати, мікросхеми або мікрозбірки. Більш глибоке вивчення матеріалу студенти мають здійснити при підготовці до практичного заняття за допомогою конспекта лекцій та додаткової літератури [1-3].

Плівкові резистори складаються з резистивної смужки (рис. 1.1) і двох або більше виводів для приєднання до інших елементів інтегральної мікросхеми (ІМС) або друкованої плати.

Рисунок 1.1 – Основні розміри резистивної смужки та її поділ на квадрати

Конфігурація резистора залежить від значення його опору, точності,

методу формування геометричних розмірів, матеріалу резистивної смужки й площі, відведеної на платі для резистора. Використовувується в основному прямокутна конфігурація резистора (рис. 1.2 а) і конфігурація на зразок меандру (рис. 1.2 б).

Для однорідної за товщиною резистивної плівки опір резистивної смужки визначають за формулою

5

поверхневий опір, або опір квадрата резистивної плівки, Ом/квадрат; Кф –

коефіцієнт форми, або кількість квадратів резистивної смужки.

Рисунок 1.2 – Різновиди конфігурації резисторів 1 – контактна площинка, 2 – резистивна смужка

Слід зазначити наступне. Якщо резистивна смужка має форму квадрату,

тобто l b, то її електричний опір R дорівнює поверхневому Rп . При цьому електричний опір не залежить від розмірів квадрату. В свою чергу поверхневий опір не залежить від форми резистора, а визначається тільки властивостями матеріалу, а саме його питомим опором, і товщиною плівки.

У вітчизняній промисловості товщина мідного покриття друкованих плат має типові значення 35 мкм і 17,5 мкм. Оскільки питомий опір міді

1,68 10 8 Ом м, то за допомогою (1.1) неважко отримати вираз для опору мідного провідника на друкованій платі [4]. При товщині мідного покриття 35

мкм

Вирази (1.2) і (1.3) дозволяють отримати наближені оцінки опору мідного провідника на друкованій платі для випадку постійного струму як 0,5 Ом або 1 Ом відповідно для двох значень товщини мідного покриття при довжині провідника 1 м і ширині 1 мм.

Виводи 1 на рис. 1.2 є контактними площинками до резистивної смужки,

які переходять у провідники. Контактні переходи будь-яких типів мають опір,

що залежить від Rп резистивної смужки, питомої електропровідності контактного переходу і довжини перекриття. В рамках практичного заняття

6

питання розрахунку контактних площинок докладно не розглядається. Для отримання більш докладної інформації щодо розрахунку контактних площинок можна звернутися до [3].

Розрахунки плівкових резисторів виконують у такій послідовності: вибирають матеріал (матеріали) резистивної смужки і виводів; вибирають методи нанесення шарів і методи формотворення; розраховують розміри резисторів за умови, що кожний із них має прямокутну форму; визначають

конфігурацію резисторів з уточненням розмірів.

Для розрахунку резисторів у технічному завданні мають бути задані такі

параметри: електричний опір R, допустима відносна похибка номінального значення R , розсіювана потужність PR , умови експлуатації (термін експлуатації, робоча температура тощо).

Вибір матеріалу полягає у визначенні власне матеріалу і виборі величини поверхневого опору. Матеріал (матеріали) вибирають із усіх дозволених для застосування резистивних матеріалів з урахуванням стабільності, температурного коефіцієнта питомого опору (ТКПО), сумісності матеріалів резистора і контактних площинок, їх вартості та дефіцитності, сумісності технологій виготовлення резисторів із цього матеріалу з технологіями виготовлення інших елементів. Із матерілів, що задовольняють наведеним

вимогам, вибирають матеріали з оптимальним значенням Rп за критерієм мінімальної площини резисторів.

Якщо відношення максимального опору резистора до мінімального із резисторів, що розробляються, Rmax /Rmin 100, доцільно застосувати два матеріали. При цьому усі резистори розподіляють на дві групи так, щоб

Rmax1 /Rmin1 Rmax2 /Rmin2 . Оптимальне значення поверхневого опору у кожній з груп (у разі використання одного матеріалу) визначають за формулою

n

Ri

7

Rп опт обирають матеріал, Rп якого є найближчим до Rп опт. Характеристики найбільш поширених резистивних матеріалів наведено в табл. 1.1 [3].

Таблиця 1.1 – Характеристики матеріалів резистивних плівок

ТВ – термічне випаровування, ДВ – дискретне випаровування; КР – катодне розпилення, ЙПР – йонно-плазмове розпилення, ТД – трафаретний друк.

Вибір технологічного процесу нанесення плівок і методу формування топології пов’язаний з матеріалами резистивної смужки та контактних площинок і обумовлює відносну виробничу похибку номінального значення R

опору резистора. Відносна похибка номінального значення опору резистора розраховується за виразом

8

1.3 Методика розрахунку плівкових резисторів

Плівковий резистор розраховують в наступній послідовності:

1. Вибирають матеріал резистивної смужки. При цьому згідно табл. 1.1

встановлюють значення Rп та P0 .

2. Розраховують коефіцієнт форми резистора

9

Критичним розміром резистора, тобто таким, що впливає на найбільш важливі характеристики резистора, є найменший розмір. При Кф 1 найменшим розміром є ширина резистивної смужки b, а при Кф 1 найменшим розміром є

їїдовжина l.

3.Визначають критичний розмір резистора

ширина і довжина резистивної смужки, при яких досягається розсіювання потужності PR ; bточн, lточн – мінімально допустимі ширина і довжина резисторів, визначені за критерієм потрібної точності.

найпростішу прямокутну форму резистивної смужки (рис. 1.2 а). При Кф 10

доцільно використовувати конфігурацію резистивної смужки на зразок меандру

(рис. 1.2 б).

Мінімально допустимі ширина і довжина резистивної смужки, при яких

10