Моя КР по РЭС (Курсовик - 16-канальный преобразователь амплитуды входного сигнала в ширину выходного импульса), страница 3

Рисунок 3 – Габаритный чертеж бескорпусного транзистора КТ366А

Предельные эксплуатационные данные транзистора КТ366А приведены в Таблице 6.

Таблица 6 – Электрические параметры транзистора КТ366А

Диапазон рабочих температур и массогабаритные характеристики выбранной элементной базы представлены в Таблице 7.

Таблица 7 - Компоненты МСБ

Как видно из Таблицы 7 диапазон рабочих температур всех компонентов перекрывает диапазон температур согласно условиям эксплуатации (1.5.5.3).

2.6 Расчет тонкопленочных резисторов

Резисторы можно выполнять как в тонкопленочном варианте (элементы МСБ), так и в виде навесных бескорпусных компонентов. Как правило площадь, занимаемая тонкопленочными резисторами меньше, кроме того при использовании навесных компонентов уменьшается надежность из-за увеличения количества паек. Поэтому будем реализовывать резисторы в тонкопленочном исполнении.

Чтобы минимизировать площадь резисторов определяем оптимальное значение сопротивление квадрата резистивной пленки согласно формуле:

, где - номинальное значение сопротивления i-го резистора.

(Ом/кв).

Наиболее широкое применение в микроэлектронике нашли такие материалы, как нихром, кермет и металлосилицидные сплавы (Cr + Si), легированные небольшими добавками железа, никеля, кобальта, вольфрама. Применение пленок нихрома в нашем случае нежелательно: низкое удельное сопротивление (порядка 300 Ом/□), значительное растравливание поверхности подложки (т.к. при использовании фотолитографии для формирования конфигурации элементов требуются сильные травители). Кроме того, в связи с влагопоглощением нихромные пленки требуют защиты. Применение пленок из металло-силицидных сплавов (сплавы PC), позволяет реализовать сравнительно малогабаритные резисторы (удельное сопротивление порядка (3...20)ּ10³Ом/□). Однако, при больших удельных сопротивлениях, требующихся для миниатюрной реализации резисторов, сплавы PC обладают значительным ТКС, что мало приемлемо в нашем случае. Учитывая особенности условий эксплуатации в нашем случае допустимым будет являться ТКС порядка ±5 • 10^-4 1/К. Оптимальным, с точки зрения компромисса между малым ТКС и большим удельным сопротивлением, достаточным для реализации малогабаритного пленочного резистора, является применение резистивных пленок из керметов.

Выберем резистивный материал, который имеет сопротивление квадрата резистивной пленки ближайшее к рассчитанному и учитывая проведенный анализ. Параметры подходящего резистивного материала кермет К50-С приведены в Таблице 8.

Таблица 8 – Параметры резистивного материала Кермет К50-С

В Таблице 5 обозначено:

- удельная мощность рассеивания;

- температурный коэффициент сопротивления (ТКС).

Найдем допустимую относительную погрешность коэффициента формы:

, где

= 2% - относительная погрешность резистора, обусловленная старением, - коэффициент старения, τ – время работы резистора;

= 1.5% - относительная погрешность сопротивления контактных переходов резистора;

= 4%- относительная погрешность сопротивления квадрата резистивной пленки;

, где ТКС кермета в интервале температур от -60°С до +125°С будет иметь значение = (1/°C), {| -20°C|;| -20°C| }=

=max{|-40-20|;|60-20|}°C=max{60;40}°C =60°C (согласно рабочему диапазону температур, приведенному в пункте 1.5.5.3), = %;

= 10% - относительная погрешность сопротивления резистора при использовании метода фотолитографии.

Тогда = 10%-4%+1.8%-2%-1.5%=4.3%.

Найдем коэффициент формы резистора:

, для резистора с номиналом R1=R2=51 (кОм) (кв).

Поскольку >1, то резистор выполняется в виде прямоугольной полоски, у которой длина больше ширины.

Найдем расчетную ширину резистора:

, где (мкм) – минимальная технологически реализуемая ширина при фотолитографическом методе, - минимальная ширина резистора, обеспечивающая допустимую относительную погрешность коэффициента формы, (мкм) – абсолютные производственные погрешности размеров резистора при фотолитографии, = 0.095, = 139.1(мкм), , = 0.48 (мВт)- мощность, которую должен рассеивать резистор согласно пункту 2.3 (Таблица 1), = 3 (Вт/см ) – удельная мощность рассеивания (Таблица 5),

(см)=56(мкм). Тогда ширина резистора: (мкм) = 0.139 (мм). Округлим до шага координатной сетки на топологическом чертеже (мм), масштаб 10:1, (мм).

Определим длину резистора:

(мкм) = 0.7093 (мм) , = 0.71 (мм)– Это значение можно изобразить на топологическом чертеже с шагом координатной сетки (мм) и в масштабе 10:1.

Найдем площадь тонкопленочного резистора через его технологические размеры:

(мм )

Проверим полученные результаты, определив фактическое значение удельной мощности, рассеиваемой резистором (мВт/мм ) = 0.483 (Вт/см )< и фактическую относительную погрешность коэффициента формы %< , фактическую относительную погрешность резистора =4.27%+4%-1.8%+2%+1.5%=9.97%<

Для резистора R3 с номиналом 1(кОм) коэффициент формы равен <1. Найдем длину резистора , где (мкм) – минимальная технологически реализуемая длина резистора при фотолитографии, = (мкм) – минимальная длина, обеспечивающая допустимую относительную погрешность коэффициента формы, (см) = 570 (мкм).

(мкм). Округлим до шага координатной сетки: (мм).

(мм) . Округлим до шага координатной сетки: (мм).

(мм )

(мВт/мм ) = 2.885 (Вт/см )< , %< , =0.97%+4%-1.8%+2%+1.5%=6.97%< .

Результаты расчетов тонкопленочных резисторов приведены в Таблице 9.

Таблица 9 – Результаты расчетов тонкопленочных резисторов

2.7 Составление коммутационной схемы и выбор подложки

Коммутационная схема представляет собой графическое изображение электрического соединения элементов и компонентов МСБ. В отличие от схемы электрической принципиальной на коммутационной схеме внешние электрические цепи МСБ и компоненты заменяются контактными площадками. Составление коммутационной схемы предшествует разработке топологического чертежа МСБ, поскольку коммутационная схема содержит информацию о количестве контактных площадок, о расположении внешних контактных площадок, о рациональном взаимном расположении элементов и компонентов МСБ.

Расположить компоненты следует в таком порядке и с такой ориентацией, чтобы не было пересечений.

Для определения типоразмера подложки необходимо вычислить ее площадь:

где - коэффициент дезинтеграции площади подложки.

- суммарная площадь тонкопленочных резисторов:

- суммарная площадь навесных бескорпусных компонентов;

- суммарная площадь контактных площадок;

При выборе коэффициента дезинтеграции необходимо учитывать, что расчет площади подложки не позволяет в полной мере учесть площадь краевых полей, так как для этого необходимо знать длину или ширину подложки. Частично, площадь поля периферийных контактных площадок, можно учесть при вычислении суммарной площади задействованных периферийных контактных площадок. Поэтому, для достижения большей точности в расчете площади подложки, необходимо применять больший коэффициент дезинтеграции. Учитывая вышеперечисленное, выбираем =2,5;

,

где - площадь периферийных контактных площадок;

- площадь внутренних контактных площадок.

Выберем размеры контактных площадок. Размеры внутренних контактных площадок определяются видом монтажного соединения, конструкцией выводов навесного компонента, типом применяемого монтажного инструмента. В нашем случае, выводы такого компонента, как транзистор - гибкие проволочные (золотые). Для эффективного соединения золотых гибких выводов с контактными площадками на предприятии традиционно применяется термокомпрессионная сварка. Применение пайки в данном случае нежелательно из-за малой надежности соединения. Конденсаторы С1 и С2 (К10-17-4 «В» с лужеными выводами) соединяется с контактными площадками при помощи пайки. Необходимо отметить, что конденсатор устанавливается на подложку в первую очередь - при его пайке в подложку отдается большое количества тепла (припой ПОСК50-18 с Т=145°С ), которое может вывести из строя микросхему. Монтаж осуществляется вакуумным пинцетом, что позволяет применять контактные площадки с размерами 0,2х0,2 мм.

При сварке гибких выводов средние размеры контактных площадок 0,2х0,3 мм, при пайке 0,3х0,4 мм. Для обеспечения удобства монтажа, а также учитывая установоч­ные размеры конденсаторов С1 и С2 (навесные конденсаторы припаиваются на контактные площадки, размеры которых должны превышать размеры навесного элемента не менее чем на 0.2 мм со всех сторон) и растекание припоя при пайке выбираем для них контактные площадки с размером 2х0,8 мм. Для приваривания плоских выводов МСМ к контактным площадкам с точки зрения обеспечения удобства монтажа, выбираем с размером 0.4 х 0.5 , а для транзистора (привариваются гибкие выводы) - 0,3 х 0,3 мм.

Для коммутации МСБ одного канала с другими каналами - с внешними цепями используются периферийные контактные площадки. Обычно применяются периферийные контактные площадки с размером 1х1 мм. Суммарная площадь внутренних контактных площадок определяется как:

где - суммарные площади контактных площадок соответственно под микросхему и транзистор, конденсаторы.

(мм )

(мм )

где - количество конденсаторов,

- количество выводов транзистора, микросхемы, конденсаторов,

- площади кон­тактных площадок транзистора, микросхемы, конденсаторов.

(мм )

Суммарная площадь периферийных контактных площадок определяется

(мм )

где . - количество периферийных контактных площадок (корпус, питание, вход, выход) определенное по коммутационной схеме,

. - площадь периферийных контактных площадок.

Тогда, суммарная площадь контактных площадок :

(мм )

Определим площади, занимаемыми элементами МСБ (по Таблице 9):

(мм )

Определим площади, занимаемые компонентами МСБ (по Таблице 7):

(мм )

(мм )

(мм )

(мм )

Определим площадь подложки S:

(мм )

По найденной площади подложки выбираем типоразмер с площадью S_П >S.

Наиболее близкими, к полученной площади подложки являются подложки со следующими типоразмерами, приведенными в Таблице10:

Таблица 10 – Габаритные размеры подложек

Применение подложек с 9-м и с 15-м типоразмерами нежелательно, так как в этом случае топология получается "вытянутой", и появляется большее количество параллельных проводников, чем в случае равномерно расположенной топологии. Применение подложки с 10-м типоразмером позволяет обеспечить в нашем случае достаточную величину технологической зоны, необходимую для операций изготовления, сборки, подгонки МСБ, при этом не вытягивает топологию и не увеличивает коэффициент дезинтеграции. Применение подложки с 7-м и 8-м типоразмером ухудшает коэффициент дезинтеграции, который является показателем качества разработанной МСБ.

Учитывая этот анализ, выбираем подложку с размерами 10 x 12 мм – 10-й типоразмер.

Выберем материал подложки. Выбор материала подложки производится с учетом быстродействия схемы МСБ, ее частотных и тепловых характеристик, а также с учетом технологии изготовления и условий эксплуатации. В нашем случае, к схеме не предъявляются повышенные требования по быстродействию, рабочие частоты схемы лежат в пределах 200 кГц (т.е. относительно низкочастотная), поэтому допустимо применять материалы подложки с ε=8..9. Рассеиваемые мощности элементов и компонентов МСБ относительно невелики (суммарная мощность рассеивания одного канала 158.44 мВт), поэтому к коэффициенту теплопроводности материала подложки не предъявляется повышенных требований. Для обеспечения нормального теплового режима МСБ, достаточно применить материал подложки с коэффициентом теплопроводности лежащим в диапазоне 1,0...1,5 Вт/(мּК). С точки зрения обеспечения точности и стабильности параметров напыляемых резисторов, желательно применять материалы подложки по возможности с большим классом чистоты обработки поверхности (14 класс). Желательна стойкость материала подложки к термоударам. Учитывая условия эксплуатации МСБ (вибрации и линейные перегрузки), а также то, что МСБ будет расположена на ФЯ, которая обеспечивает требуемую механическую прочность, к материалу подложки не предъявляют повышенных требований к механической прочности.

Учитывая вышеприведенный анализ, наиболее приемлемыми материалами подложек в нашем случае являются ситаллы СТ-50-1, СТ-32-1, СТ-38-1 (ОСТ 11.094.022-75). Лучшими параметрами, по сравнению со всеми остальными, обладает ситалл СТ-50-1 (ε=8..9, коэффициент теплопроводности 1,5 Вт/(мּК), механическая прочность при изгибе 176,6Н/м²). Выбираем в качестве материала подложки ситалл СТ-50-1. Выбираем толщину ситалловой подложки (мм). Неперпендикулярность сторон после резки должна быть не более 0.1 мм

2.8 Разработка топологического чертежа МСБ

Выберем ширину проводников МСБ. Минимальная ширина пленочных проводников для метода фотолитографии 0,05 мм. Учитывая сравнительно большой используемый коэффициент дезинтеграции (q_S=2,5) возможно применение проводников с достаточно большой шириной (100-250 мкм). С точки зрения технологичности, применение таких проводников позволит получить оптимальный процент выхода годных. Учитывая это, будем использовать в МСБ проводники с шириной 250 мкм. Так как токи в сигнальных цепях и цепях питания приблизительно одного порядка и сравнительно малы, то сигнальные проводники и цепи питания будем изготавливать одной ширины - 250 мкм. Минимальное расстояние между пленочными элементами, расположенными в одном слое – 100 мкм. Минимальное расстояние от края активного элемента до контактной площадки, к которой припаиваются выводы этого элемента – 0.8 мм, а максимальная длина гибкого вывода активного элемента до точки контактирования без дополнительного крепления – 3 мм. Поэтому для закрепления гибких выводов используем компаунд (см. 2.7). Минимальное расстояние между контактной площадкой компонента-конденсатора и активным элементом – 1 мм. Минимальное расстояние между активным элементом и краем подложки – 1 мм.

2.9 Оценка качества разработанной топологии МСБ

Напыленный слой проводников покрыт защитным слоем (ФН-11). В защитном слое вскрыты окна под контактные площадки, к которым привариваются проводники. Компоненты при установке ориентируются по окнам, выполненным в защитном слое. Согласно ОСТ107.460091.004-88 "Микросборки, технология сборки" максимально допустимая длина проволочного вывода (при диаметре 0,03 мм) до точки контактирования без дополнительного крепления 3 мм. В нашем случае, для закрепления таких выводов будет использоваться компаунд "Эластосил 137-180", которым за­ливается МСБ.

Определим конструктивные показатели качества разработанной топологии. К основным показателям качества конструкции МСБ относятся масса m , объем V, плотность упаковки элементов и коэффициент дезинтеграции.

Определим массу МСБ:

_, где -суммарная масса установленных компонентов на подложке;

-масса подложки;

,

(г)

Определим массу подложки:

, где a, b, h - геометрические размеры МСБ;

= 2,65 г/см³ -плотность ситаловой подложки ,

(г)

Тогда масса МСБ:

(г)

Необходимо отметить, что при заливки МСБ компаундом ее масса возрастает на 0.2 (г). Поэтому суммарная масса МСБ с учетом заливки составит:

(г)

Определим объем МСБ:

, где =120 (мм²) -площадь подложки МСБ, =1.2 (мм) - высота самого высокого компонента на подложке конденсатора К10-17-4 «в», (мм).

(мм³ )

Определим плотность упаковки на плоскости МСБ:

, где N - число элементов в схеме, N=7;

(мм )

Определим коэффициенты дезинтеграции по площади q_S и по массе q_M :

где - суммарная площадь элементов и компонентов МСБ;

(мм²)

Коэффициент дезинтеграции разработанной конструкции МСБ по площади q_S =4.13, a коэффициент дезинтеграции, выбранный на этапе определения геометрических размеров подложки q_S =2.5. Использование подложки с размерами 10x12 мм позволило получить небольшой коэффициент дезинтеграции, однако при этом возросла плотность упаковки.

3 Определение массы и объема блока

,

, где - суммарная масса и объем МСБ, n1-число МСБ на ФЯ, n2 - число функциональных узлов в конструкции изделия, - коэффициенты дезинтеграции массы «МСБ – функциональная ячейка», «функциональная ячейка - блок» по массе и объему. Для книжной конструкции односторонней ФЯ на бескорпусных МСБ на металлической планке: ,

(г) = 0.685 (кг)< , (см³)< .

Расчет геометрических размеров ФЯ и блока

Размеры ФЯ цифровых РЭС на МСБ определяются размерами металлического основания (рамки). Жесткость рамки обеспечивается наружными и внутренними продольными и поперечными ребрами жесткости. Ширина наружных продольного и поперечного ребер – 2.5 мм, внутренних продольного и поперечного ребер – 1.5 мм. Бескорпусные МСБ устанавливаются на планки. Окно в верхней части рамки предназначено для монтажа на печатной плате навесных радиоэлементов (в нашем случае не требуется), окна между планкой и внешними и внутренними продольными ребрами жесткости – для соединения проволочных выводов МСБ с контактными площадками печатной платы (ширина составляет 4 мм). В нижней части конструкции ФЯ предусмотрена зона на ПП (15 мм), где располагаются контактные площадки внешних электрических соединений ФЯ. На одной ФЯ будет расположено 4 МСБ (по две на каждую планку). Всего функциональных ячеек в блоке – 4.

Высота односторонней ФЯ равна высоте рамки и может быть представлена как:

, где = (мм)- высота МСБ (высота самого высокого компонента + толщина подложки), (мм)- толщина планки, =0.1 (мм)- толщина диэлектрической прокладки между рамкой и ПП, =0.5 (мм) – толщина ПП, =0.5 (мм)-высота паек на плате, =0.05(мм) – толщина клеевой прослойки в одном соединении (в нашем случае их два: между рамкой и ПП и между МСБ и планкой), =1.5(мм) – суммарная толщина воздушных зазоров, исключающая контактирование элементов соседних ФЯ, определяется прогибом на каждую сторону основания ячейки при механических воздействиях (значение соответствует высокой жесткости рамки на изгиб).

(мм).

Ширина планки = =8 (мм).

Длина планки , где n – число МСБ на планке, (мм) – расстояние между МСБ и МСБ и горизонтальными ребрами жесткости. (мм).

Ширина ФЯ определяется так:

(мм).

Длина ячейки:

48 (мм).

Глубина пакета ФЯ:

, где - число ФЯ в блоке, = - шаг размещения ФЯ, b=8(мм) (для обеспечения конвективного теплообмена)- зазор между соседними ячейками.

(мм).

Для выбранной книжной компоновочной схемы блока:

(мм) – ширина блока,

=83 (мм) – высота блока,

(мм), где (мм) – глубина зон межъячеячного монтажа и задней панели, (мм) – глубина зоны лицевой панели.

Объем блока:

(см³)

Выбор системы охлаждения

При выборе системы охлаждения используются следующие исходные данные:

- тепловой поток Р (Вт) рассеиваемый поверхностью корпуса прибора;

- площадь поверхности корпуса прибора S_K (м²);

Найдем площадь поверхности корпуса S_K : (см²)

- максимально допустимая рабочая температура наименее теплостойкого элемента ; Поскольку все элементы, устанавливаемые на МСБ имеют одинаковый температурный диапазон: для них =85 °С (см. Таблицу 7)

- максимальная температура окружающей среды =60 °С (см. п.1.5.5.3 ТЗ);

- минимальное давление окружающей среды =60 кПа. (см. п. 1.5.5.3 ТЗ);

Тепловой поток определяется суммарной рассеиваемой 16 каналами:

(Вт)

Определим поверхностную плотность теплового потока

, где - поправочный коэффициент; =760 мм рт. ст.- нормальное атмосферное давление. (1 мм рт. ст.=133,322 Па);

(Вт/м²)

Определим логарифм поверхностной плотности теплового потока

Допустимый перегрев в конструкции:

Анализируя диаграмму, изображенную на рисунке 4, координатами которой являются значения и , можно выбрать систему охлаждения.

Расчетные значения попадают в область 1. В конструкции используем естественное воздушное охлаждение.

Р исунок 4 – Диаграмма для определения системы охлаждения

Для обеспечения нормального теплового режима в блоке за счет естественного воздушного охлаждения зазоры между ФЯ выберем равными 8 (мм).

Описание конструкции блока.

Выбор типа конструкции и компоновочного решения блока обуславливается объектом установки РЭС, видом и интенсивностью воздействия.

Поскольку объектом установки блока является быстроходный катер, основными требованиями к конструкции согласно ТЗ являются: высокая надежность (тяжело заменить во время плавания), маленькие размеры, стойкость к линейным ускорениям и высокая вибропрочность, хорошее выполнение тепловых режимов, герметичность (должна быть исключена возможность попадания воды или влажного воздуха). Эти требования могут быть обеспечены использованием герметичного микроблока. МСБ в нем будут расположены на ФЯ, которые обеспечивают требуемую механическую прочность и отвод тепла (высокая теплопроводность планок, дюралевых рамок, металлического корпуса). МСБ приклеиваются эластичным клеем. После засыхания он остается эластичным – чтобы при термических расширениях планки была возможность перемещения, кроме того, он гасит вибрации (за счет перемещений механическая энергия преобразуется в тепло). Он обеспечивает герметизацию и небольшие размеры, так как используются бескорпусные компоненты и МСБ, а ФЯ укладываются в пакет. Что дает микроблоку преимущество в отношении габаритных размеров по сравнению с блоком пенальной конструкции. Высокая надежность микроблока объясняется использованием более надежных сварных соединений и уменьшением количества соединений (основной элемент ненадежности – соединения, особенно – паяные). Необходимости обеспечивать ремонтопригодность в нашем случае нет, поскольку при оперативном восстановлении ремонтопригодности заменить неисправные части во время плавания невозможно, а иметь запасные на катере нецелесообразно. Ремонт будет осуществляться заменой всего блока. Поэтому выберем книжную компоновочную схему блока с горизонтальной осью раскрытия, которая используется на объектах, требующих предельной минимизации массо-габаритных показателей. В отличие от кассетной и разъемной компоновок, книжная не обеспечивает ремонтопригодность (что не требуется), зато имеет наилучшие массо-габаритные характеристики и высокую надежность (в нашем случае это определяющие параметры). Это достигается за счет того, что внешние выводы ФЯ соединяются с контактными площадками кросс-платы с помощью гибкой матрицы-ремня.

Микроблок (герметичный блок представляет из себя конструкцию на бескорпусных МСБ. Блок герметизован. Крышка может быть либо приварена – для неремонтопригодных блоков, либо обеспечена возможность вскрытия блока (проволокой при паяном соединении). В нашем случае необходимости обеспечивать ремонтопригодность нет, поэтому крышка будет приварена. Внутри микроблока находится пакет функциональных ячеек, объединенных для коммутации гибкой матрицей-ремнем (обеспечивает электрическое соединение и является корешком книги). ФЯ крепятся винтами к бобышкам в основании корпуса. Матрица-ремень привинчивается винтами к торцам ячеек. Провода через отверстия в матрице-ремне соединяются с контактными площадками ПП в ФЯ. С другой стороны матрица-ремень подходит к разъемному соединителю. Для жесткого крепления проводников и изоляции их заливают гелями и герметиками. Разъемный соединитель впаян в ПП (кросс-плату), которая припаяна по основанию контура к корпусу блока. Разъемный соединитель герметичен. Для герметизации ПП и соединитель заливаются компаундом, предохраняя при этом выводы соединителя.

Крышка блока приваривается по периметру. После сварки в блоке все равно остается воздух и пары от сварки. Поэтому чтобы защитить бескорпусные МСБ и обеспечить долгий срок службы предусматривают трубку-штенгель. В отверстие в корпусе продевается трубка-штенгель, с прокладкой из бессернистой резины (используется для того, чтобы пары флюса при пайке в блок), она припаивается по периметру для герметичности. Через трубку из блока откачивается воздух и блок заполняется сухим инертным газом (азотом). Конец трубки опрессовывается и оваривается.

ФН – засвеченные участки растворяются

21