Разработка измерителя влажности (стр. 3 из 10)
Частота f1 = 3987,109; f2 = 3987,117; f3 = 3987,114.
6. Хлорид магния MgCl2.
Уровень влажности RH =34%.
Частота f1 = 3987,130; f2 = 3987,137; f3 = 3987,129.
На основе полученных данных построим графические зависимости (рис 3.1) или [2008-00-992.10.00]:
Рис. 3.1
Из графика следует:
1. имеем нелинейную зависимость частоты от влажности;
2. наибольшая крутизна имеет место при повышенных значениях влажности, т.е. в диапазоне повышенных значений влажности (от 80 до 100 %) эффективность измерения возрастает.
4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
4.1 Анализ
Для приведённой электрической схемы устройства необходимо разработать топологию и конструкцию отдельного функционального узла в виде гибридной интегральной микросхемы. Электрическая принципиальная схема содержит резисторы, конденсаторы и корпусные микросхемы. Резисторы и конденсаторы выполняются в виде плёночных элементов, а активные элементы - микросхемы - является компонентами. Для того чтобы разместить резисторы и конденсаторы, необходимо знать их геометрические размеры, для этого производится конструктивный расчёт элементов. Геометрические размеры компонентов выбираются из справочной литературы. Немаловажную роль играет выбор материалов для тонкоплёночных элементов. От этого зависит срок службы ГИС, качество выполнения элементов. Выбор материалов должен основываться на условиях эксплуатации ГИС. Для рассчитанных элементов выбирается подложка необходимого размера и производится размещение элементов и компонентов. При размещении необходимо учитывать, что длина проводников должна быть как можно меньше. Кроме того, число пересечений должно быть минимальным. Для выбранного метода нанесения элементов составляется схема технологического процесса.
4.2 Обоснование выбора материалов
Выбор материала подложки
Подложки ГИС служат диэлектрическим и механическим основанием для расположения активных и пассивных элементов. Подложка изолирует отдельные элементы ГИС и является теплоотводным элементом конструкции. Для обеспечения заданных электрических параметров микросхем материал подложки должен обладать:
высоким коэффициентом теплопроводности для эффективной передачи тепла от тепловыделяющих элементов (резисторов, транзисторов, диодов) к корпусу;
малым тангенсом угла диэлектрических потерь;
высокой механической прочностью, обеспечивающей целостность подложки с нанесёнными элементами, как в процессе её изготовления, так и при её эксплуатации;
высокой химической инертностью к осаждаемым материалам для снижения временной нестабильности параметров плёночных элементов;
стойкостью к воздействию высокой температуры в процессах формирования элементов;
стойкостью к воздействию химических реактивов в процессе подготовки поверхности подложки перед нанесением плёнок при их химическом осаждении;
способностью к хорошей механической обработке (полировке, резке).
Кроме перечисленных выше требований, материал подложки должен обладать высоким объёмным и поверхностным сопротивлением, в том числе, в присутствии влаги и электролитов.
В полной мере, перечисленным требованиям не удовлетворяет ни один материал, а некоторые требования находятся в противоречии друг к другу. Поэтому, выбор материала подложки основан на компромиссном решении.
Для гибридных интегральных схем, где необходимо обеспечить интенсивный отвод тепла, как правило, применяют керамический материал поликор. Этот материал имеет высокую механическую прочность, высокую теплостойкость, меньшие значения тангенса угла диэлектрических потерь на высоких частотах.
Недостатком керамики является значительная шероховатость поверхности, что затрудняет получение воспроизводимых номиналов тонкоплёночных элементов. Для ГИС, не испытывающих больших механических воздействий, применяют ситаллы и бесщелочные боросиликатные стёкла, поскольку это наиболее дешёвые материалы. Кроме того, они имеют наименьший коэффициент линейного расширения, что может определять стабильность параметров ГИС. Одним из существенных недостатков ситаллов и боросиликатных стекол является их малая теплопроводность, поэтому они используются в маломощных микросхемах. В табл. 4.1 приведены основные параметры подложек [4,6,5].
Таблица 4.1 Электрофизические параметры материалов подложек ГИС
| СиталлСТ-32-1 | СиталлСТ-38-1 | Поликор | 22ХС(96%Al2O3) | |
| Класс чистоты обработки поверхности | 14 | 14 | 12-14 | 12 |
| Температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР * 10-7 при Т = 20...3000С | 30...34 | 83 | 75...85 | 60 |
| Диэлектрическая проницаемость e при f=106 Гц | 6...7 | 7,3...8 | 10 | 10,3 |
| Тангенс угла диэлектрических потерь при f=106 и Т = 200С | 16*10-4 | 15*10-4 | 1*10-4 | 6*10-4 |
| Относительная стоимость | 1 | 1 | 20 | 20 |
Выбор материала резисторов
Параметры тонкоплёночных резисторов определяются свойствами применяемых резистивных материалов, толщиной резистивной плёнки и условиями её формирования. Чем меньше толщина плёнки, тем выше удельное поверхностное сопротивление rs, но одновременно повышается температурный коэффициент сопротивления (TKR), а также ухудшается временная и температурная стабильность плёнок. То есть при выборе материала для резисторов необходимо учитывать не только величину удельного поверхностного сопротивления, но и TKR плёнки, допустимые мощности рассеяния, стабильность резистивных свойств плёнки во времени [4].
Для этих целей наиболее пригодны хром, нихром, ванадий, тантал.
Хром удовлетворяет практически всем требованиям, предъявляемым к материалу резистивной плёнки. Он достаточно тугоплавок, образует стабильную и плотную оксидную плёнку, имеет большое удельное сопротивление, достаточно технологичен, кроме того, при некоторых технологических операциях хром может одновременно использоваться в качестве адгезионного подслоя. Основные параметры резистивных материалов приведены в табл. 4.2 [4,6,5].
Таблица 4.2 Электрофизические параметры резистивных материалов
| НихромХ20Н80 | Хром | КерметК-50С | Тантал ТВЧ | Сплав МЛТ-3 | СплавРС-3001 | |
| Удельное поверхностное сопротивлениеrs, Ом. | 300 | 500 | 3000......10000 | 20...100 | 500 | 1000......2000 |
| Допустимая удельная мощность рассеяния Р0 , Вт/см2 | 2 | 1 | 2 | 3 | 2 | 2 |
| Температурный коэффициент сопротивления TKR при Т = -60...1250С | 1*10-4 | 1*10-4 | -5*10-4 ...3*10-4 | -2*10-4 | 2*10-4 | -0,2*10-4 |
| Изменение величины сопротивления резистора после 1000 часов работы, % | 0,4 | 2 | 0,3 | - | 0,4 | 0,5 |
| Рекомендуемый материал контактных площадок | Медь | Медь | Золото | Алюми-ний | Медь | Золото |
Выбор материала проводников и контактных площадок
Для изготовления проводников и контактных площадок могут быть использованы различные металлы, отличающиеся друг от друга по величине электропроводности и по прочности сцепления с подложкой. Материал проводников и контактных площадок должен иметь малое удельное сопротивление, хорошую адгезию к подложке, высокую коррозионную стойкость. Кроме того, материал должен с минимальными потерями подводить напряжение питания к функциональным компонентам микросхемы, с минимальными искажениями передавать сигналы, обеспечивать надёжный, чаще всего невыпрямляющий и малошумящий контакт с элементами микросхемы.
Медь – один из наиболее часто используемых материалов. Она характеризуется высокой электропроводностью, хорошо сочетается с другими материалами, но вместе с тем медь склонна к окислению, поэтому её используют с адгезионным подслоем (хром, нихром). Удельное поверхностное сопротивление проводника 0,02…0,04 Ом [4,5].
Выбор материала конденсаторов
Обкладки конденсаторов должны иметь высокую проводимость, коррозионную стойкость, технологическую совместимость с материалом подложки и диэлектрика конденсатора: температурные коэффициенты линейного расширения (ТКЛР), близкие к ТКЛР подложки и диэлектрика, хорошую адгезию к подложке и диэлектрику, высокую механическую прочность. Для устранения теплового разрушения диэлектрика в процессе нанесения верхней обкладки необходимо применять материал с низкой температурой испарения. Нижняя обкладка конденсатора должна иметь мелкокристаллическую структуру. Не допускается образование кристаллов, выступы которых снижают толщину и соответственно электрическую прочность диэлектрика.
Большинству требований, предъявляемых к материалам обкладок, удовлетворяет алюминий. Атомы и мельчайшие частицы алюминия, попавшие в межзёренные области диэлектрика, интенсивно окисляются, что способствует устранению проводящих цепочечных структур между обкладками. Кроме того, участки алюминиевых обкладок в области коротких замыканий самоизолируются от короткозамыкающих мостиков вследствие термического испарения алюминия при протекании тока короткого замыкания.
Материал диэлектрика конденсатора в значительной степени определяет его характеристики. К диэлектрику конденсаторов предъявляются следующие требования: высокая диэлектрическая проницаемость, малый температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, высокая электрическая прочность, низкие диэлектрические потери, высокое сопротивление изоляции, хорошая адгезия, совместимость с технологическими процессами изготовления других элементов микросхемы.
В качестве диэлектрика конденсаторов применяют моноокись кремния SiO, моноокись германия GeO, окислы алюминия Al2O3, тантала Ta2O5, титана TiO2, окислы редкоземельных металлов. Основные параметры диэлектрических материалов тонкоплёночных конденсаторов приведены в табл. 4.3 [4,6,5].