Розробка топології і конструкції гібридноїінтегральної схеми типу «Підсилювач НЧ К2УС372»
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
До курсової роботи з дисципліни
«Основи мікро- та наноелектроніки»
Одеса 2010р.
Зміст
Вступ
1. Загальний опис, призначення таобласть застосування ІС, що проектується
2. Аналіз завдання
3. Вибір технологічного процесу
4. Вибір матеріалу
5. Розрахунок товстоплівкових резисторів
6. Визначення розмірів плати
7. Розробка топології і мікросхеми
Висновок
Список літератури
Вступ
Сучасний етапрозвитку радіоелектроніки характеризується широким використанням інтегральнихмікросхем в усіх радіотехнічних системах. Це пов’язано із значним ускладненнямвимог і задач, які вирішуються РЕА, що призвело до росту числа елементів в ній.В цих умовах важливого значення набувають проблеми підвищення надійності апаратурита її елементів і мікромініатюризації електрорадіоелементів та самої апаратури.Ці проблеми успішно вирішуються застосуванням мікроелектроніки. Мікроелектроніка– це розділ електроніки, який охоплює дослідження та розробку якісно новоготипу електронних апаратів, інтегральних мікросхем та принципів їх використання.
Основна задачакурсового проекту – розрахунок і розробка топології і конструкціїфункціональних вузлів радіоелектронної апаратури (РЕА) у виді гібриднихінтегральних схем (ГІС) і мікро збірок (МЗБ), а також технологічного маршрутуїхнього виробництва відповідно до заданої в технічному завданні (ТЗ)принципової електричної схеми.
Мікроелектронікахарактеризується тим, що замість виготовлення окремих деталей, з яких будуєтьсярадіотехнічний пристрій чи апаратура виготовляють окремі функціональні вузли –мікросхеми. Формування інтегральної мікросхеми в мікрооб’ємі твердого тіла таелектронного машинобудування на основі нової технології.
Гібриднаінтегральна схема – це мікросхема, яка створюється на поверхні діелектричноїпідкладки, що виконує функції механічного носія і іноді тепловідводу. Напараметри елементів і компонентів схеми підкладка не впливає.
Метою даноїкурсової роботи є закріплення отриманих теоретичних знань і придбанняпрактичних навичок рішення інженерних задач по проектуванню мікроелектроннихвиробів.
1. Загальний опис, призначення та область застосування ІС,що проектується
МікросхемаК2УС372 являє собою підсилювач низької частоти. Схема забезпечує вихіднупотужність 3 Вт. Номінальна напруга живлення мікросхеми плюс 12 В. Допустимівідхилення напруги живлення від номінального плюс 3 В, мінус 4,8 В.
Електричніпараметри мікросхеми К2УС372 при Uдж.ж.=12,8В і Rн=3,9Ом приведені в таблиці 1.
Таблиця 1
/>
2. Аналіз завдання
Основна задачаданої курсової роботи полягає в розробці конструкції інтегральної мікросхеми ітехнологічного напрямку її виробництва згідно із заданою у технічному завданніпринциповою електричною схемою.
Об’єктпроектування – гібридна мікросхема. В порівнянні із напівпровідниковимиінтегральними схемами гібридні мікросхеми, із погляду виробника, мають рядпереваг:
1) забезпечуютьширокий діапазон номінальних значень параметрів;
2) менші межідопусків і кращі електричні характеристики пасивних елементів
В якостінавісних компонентів в ГІС використовуються мініатюрні конденсатори, резистори,котушки індуктивності, дроселі, трансформатори. В даному завданні навіснимикомпонентами є транзистори.
Наявністьпевного числа контактних зварних з’єднань обумовлює меншу надійність ГІС упорівнянні із напівпровідниковою. Проте можливість проведення попередніхіспитів і відбору активних і пасивних навісних компонентів дозволяє створитиГІС і мікро збірки достатньо високої надійності. В даній курсовій роботіоб’єктом проектування є підсилювач НЧ К2УС372, який містить в собі 15резисторів, 5 транзисторів. Електрична принципова схема наведена у додатку Б. Технологія виготовленняданої ГІС товстоплівкова. Вихідні дані наведені у таблиці 2.
Таблиця 2Позначення на схемі Найменування та тип Дані Кіл. Примітка
R1 Резистор 15К Ом 5,4 мВт 1
R2,6 Резистор 5К Ом 1,8 мВт 2
R3 Резистор 45 Ом 10 мВт 1
R4 Резистор 850 Ом 10мВт 1
R5 Резистор 10К Ом 2 мВт 1
R7 Резистор 2,9К Ом 1 мВт 1
R8 Резистор 20К Ом 8 мВт 1
R9 Резистор 100 Ом 1 мВт 1
R10,12 Резистор 4К Ом 12 мВт 2
R11 Резистор 3К Ом 8,8 мВт 1
R13,15 Резистор 25 Ом 5мВт 2
R14 Резистор 1,5К Ом 20 мВт 1 VT1 Транзистор КТ-331 Б 1 Навісний VT2 -//- 1 -//- VT3 -//- 1 -//- VT4 -//- 1 -//- VT5 -//- 1 -//-
3. Вибір технологічного процесу
Сутьтовстоплівкової технології полягає в тому, що на діелектричну підкладку черезтрафарет послідовно наносять і вжигають шари різних провідникових, резистивних ідіелектричних паст. В результаті отримують шари заданої конфігурації, якіслужать для формування провідників, резисторів і конденсаторів товстоплівковоїмікросхеми. В якості матеріалу підкладки, як правило, використовують кераміку зрозвиненою шорсткою поверхнею для підвищення сил зчеплення плівки з підкладкою.
Затехнологічним принципом виготовлення гібридних інтегральних мікросхем ділять натовстоплівкові і тонкоплівкові. При виготовленні товстоплівкових мікросхем наізолюючу підкладку наносять через сітку-трафарет провідникові, резистивні ідіелектричні композиції з подальшим вжиганням (резистори, конденсатори,індуктивності, провідники). Товщина плівок, що наносяться, створюючих елементимікросхеми, складає одиниці і десятки мікрометрів.
Процесвиготовлення товстоплівкових мікросхем починають з підготовки поверхніпідкладки і трафаретів, потім на підкладку наносять необхідний малюнок шарів.Після кожного циклу нанесення відповідного шару останній обпалюють длязакріплення його на підкладці і надання заданих властивостей матеріалу шару.
Притемпературі близько 700 С паста вжигається в керамічну підкладку. Длявиготовлення товстоплівкових схем окрім провідникової пасти використовуютьсярезистивні і діелектричні пасти, які також обпалюються. Транзистори і діоди (безкорпусніабо в корпусах) приєднуються до контактних площадок на підкладці мікросхеми.
4. Вибір матеріалу
У мікросхемі використовуються резистори різного номіналу,тому вибираються різні резистивні пасти з додатку А для забезпеченнянеобхідного опору. Для цього розбиваємо резистори на три групи (таблиця 3).
Таблиця 31 група 2 група 3 група Назва Опір Потужність Назва Опір Потужність Назва Опір Потужність
R3 45 Ом 10 мВт
R2,6 5КОм 1,8 мВт
R1 15КОм 5,4 мВт
R9 100 Ом 1 мВт
R4 850 Ом 5 мВт
R5 10КОм 2 мВт
R13,15 25 Ом 5 мВт
R7 2,9КОм 1 мВт
R8 20КОм 8 мВт
R10,12 4КОм 12 мВт
R11 3КОм 8,8 мВт
R14 1,5КОм 20 мВт
Для кожної групи визначають оптимальне значення питомогоопору резистивної пасти за виразом:
/> (1)
де />– номінал і-го резистора,
n – число резисторів.
Резистивна паста для першої групи вибирається на основірозрахунку:
/>
Резистивна паста для другої групи вибирається на основірозрахунку:
/>
Резистивна паста для третьої групи вибирається на основірозрахунку:
/>
За розрахованим значеннямви />обирають відповідно додатку Апасту із питомим опором, найближчим до розрахованого.
Резистивна паста для розробки резисторів першої групи ПР-100:
/>, />, />
Резистивна паста для розробки резисторів другої групи ПР-3к:
/>, />, />
Резистивна паста для розробки резисторів третьої групи ПР-20:
/>, />, />.
Провідникова паста ПП-3 товщина шару 15..25 мкм
/>
Сіталова підложка.
5. Розрахунок товстоплівковихрезисторів
З огляду на особливості товстоплівкової технології, усітовстоплівкові резистори виготовляють із підгонкою, у зв'язку з чим резистори нерозраховують на точність.
Мінімальний розмір резистора, обумовлений можливостямитовстоплівкової технології, знаходять за даними конструктивно-технологічнихобмежень на резистори.
Резистори розташовав на обох сторонах плати, не більш трьохрезистивних прошарків на одній стороні. Всі резистори мають прямокутну форму.Не використовую резистори з коефіцієнтом форми більш як 5-6 і менш 0,2.
Вихідні дані для розрахунку: номінальне значення опорурезистора Ri кОм; потужність розсіювання Рi мВт; відносна похибка виготовленнярезисторів до підгонки />(визначають із технологічнихобмежень); максимально допустима питома потужність розсіювання резистивноїплівки мінімальні розміри резистора b min x l min; крок координатної сітки.
/>
Послідовність розрахунку товстоплівкових резисторів
1. Визначаютькоефіцієнт форми:
/> (2)
Знайдемо /> для кожногорезистора:
/> (Kф
/> />
/>( Kф
/>( Kф
/>( Kф( Kф
/>( Kф( Kф
2.Знаходимо КР — коефіцієнт запасу потужності, що враховує підгонкурезистор
/> (3)
де />– відноснапохибка (/>=10 %)
/>
3. Ширинарезистора прямокутної форми /> , має бути не меншою, ніжнайбільше значення одного з двох розмірів:
/> (4)
де /> — мінімальнаширина резистора обумовлена можливостями товстоплівкої технології (/>=0,8 мм).
Ширинарезистора з умов забезпечення заданої потужності
/> (5)
де /> — коефіцієнт запасупотужності, що враховує підгонку резистора.
4. Довжинарезистора
/> (6)
Розрахунковізначення /> і/>коригують.За довжину l ширину b резистора приймають значення, найближчі до розрахунковоговбік зменшення опору резистора/>i кратні кроку або половині крокукоординатної сітки з урахуванням масштабу креслення топології. Повідкоректованому значенню довжини резитора l у залежності від ширини b ізграфіків коригування довжин резисторів для урахування розтікання паст (додатокА) знаходять виправлене значення довжини резистора /> з урахуванням розтікання паст.
Для резисторів,що мають />,розрахунок починають із визначення довжини за аналогією з приведенимиформулами:
/> (7)
/>. (8)
Приймаючи />=0,8 мм
/>. (9)
Для резисторів,що мають />:
/> />
/> />
/> />
/>
Приймаємодовжину всіх резисторів як />=0,8 мм.
Тоді ширинарезисторів:
/> />
/> />
/> />
/>
Для резисторів,що мають />:
/> /> /> /> />
Приймаємоширину всіх резисторів як />=0,8 мм.
Тоді довжинарезисторів:
/> />
/> />
/>
Такожрозрахунки проводились за допомогою програми. Результат та текст програминаведені у додатку А.
4. Довжинарезистора з урахуванням перекриття
/>, (10)
де /> - мінімальний розмір перекриття,обумовлений за даними конструктивно-технологічних обмежень технології; звичайнозначення /> берутьтаке, що дорівнює ширині провідника (/>).
За допомогою графіків коригування довжин резисторів дляурахування розтікання паст (додаток А) знаходимо виправлене значення довжинирезистора />:
/> /> />
/> /> />
/> /> />
/> /> />
Довжинарезистора з урахуванням перекриття:
/> /> />
/> /> />
/> /> />
/> /> />
5. Площарезистора
/> (11)
Оптимальне число паст визначають з умови, коли площа, щозаймається всіма резисторами на платі, буде мінімальною. Якщо виявиться, що призбільшенні числа паст виграш у площі незначний або розміри плати достатні, тодоцільно зупинитися на меншому числі паст, При цьому похибка виготовленнярезисторів буде тим меншою, чим менше форма резистора відрізняється відквадрата.
/> />
/> />
/> />
/> />
/> />
/> />
Розрахункипроведенні і занесені до таблиці 4.
Таблиця4 Розраховані розміри резисторів1 група
/>
/>
/>
/>
/>
/>
R3 0,8 1,8 0,45 1,2 1,6 2,16
R9 0,8 0,8 1 0,8 1,2 0,96
R13,15 0,8 3,2 0,25 0,8 1,2 3,84 2 група
R2,6 1,2 0,8 1,6 1,2 1,6 1,28
R4 0,8 2,9 0,28 0,8 1,2 3,48
R7 0,8 0,8 0,96 0,8 1,2 0,96
R10,12 1,0 0,8 1,3 1,1 1,5 1,2
R11 0,8 0,8 1 0,8 1,2 0,96
R14 0,8 1,6 0,5 0,8 1,2 1,92 3 група
R1 0,8 1,1 0,75 0,8 1,2 1,32
R5 0,8 1,6 0,5 0,8 1,2 1,92
R8 0,8 0,8 1 0,8 1,2 0,96