Разработка измерителя влажности (стр. 9 из 10)
Попадание влаги на микросхему до герметизации может привести к разрушению металлизации. Для защиты микросхемы от коррозии необходимо покрыть её поверхность слоем изолирующего диэлектрического материала. Для этого используют плёнки SiO2, SiO, GeO, негативный фоторезист ФН-103, фоторезист ФН-11 и другие [4].
Однако так как в этом изолирующем слое должны быть образованы окна на контактных площадках под сварные контакты, существует проблема обрыва цепей из-за коррозии металлизации в указанных областях. Для решения этой проблемы используется герметизация лаками и компаундами.
Для защиты микросхемы, разработанной в ходе данного проекта, используется фоторезист ФН-11.
Герметизация как метод защиты от дестабилизирующих факторов
Основным способом защиты интегральных микросхем от воздействия дестабилизирующих факторов (температуры, влажности, солнечной радиации, пыли, агрессивных химических и биологических сред, механических воздействий) является герметизация. Её осуществляют с помощью специально разработанных конструкций - корпусов, в которых размещают ГИС, либо нанесением защитных материалов непосредственно на поверхность ГИС.
В настоящее время бескорпусные ГИС разрабатываются для эксплуатации в составе ячеек и блоков микроэлектронной аппаратуры, которые подвергаются общей герметизации.
Герметизация законченного функционального устройства, каким является интегральная микросхема, позволяет одновременно защитить от влияния окружающей среды всю совокупность элементов схемы.
Начальным этапом герметизации часто является предварительная защита поверхности ГИС. Для этого используют плёнки SiO2, SiO, GeO, негативный фоторезист ФН-103. Поверх этих сравнительно тонких слоёв электрически и химически инертных материалов наносят герметики: лаки ФП-525, УР-231, эмаль ФП-545, компаунды Ф-47, ЭК-91, ПЭП-177, ПЭК-19. Лаки и эмали наносят в электростатическом поле распылением из пульверизатора, погружением или поливом. Компаунды наносятся методом обволакивания или вихревым напылением до образования оболочки толщиной 0,2...1,2 мм [4].
Обеспечение влагозащиты
Необходимость влагозащиты ГИС возникает при использовании герметизирующих полимерных материалов. В отличие от неорганических эти материалы обладают повышенными значениями влагопоглощения и влагопроницаемости.
Потеря работоспособности ГИС, герметизированных в монолитные конструкции, вызывается поглощением герметизирующим материалом влаги и увлажнением поверхности ГИС. При достижении критической концентрации, соответствующей критическому давлению паров воды, наступает отказ ГИС.
В качестве герметизирующего материала используем тиксотропный компаунд Ф-47 [4] [2008-00-992.07.00 СБ].
5.5 Обеспечение надёжности гибридных интегральных схем
Основные тенденции в развитии современной электроники - миниатюризация, интегральное и гибридное исполнение, использование новых физических эффектов - существенно усложняют прогнозирование надёжности на основе анализа физико-химических процессов, происходящих в приборах и системах. С другой стороны, это единственный путь научно-обоснованного прогнозирования.
Традиционно, особенно в условиях массового производства, надёжность изделий электронной техники и отдельных компонентов определялась статистическими методами, на основе специальных испытаний или по результатам эксплуатации. Это в своё время позволило неуклонно повысить показатели надёжности и совершенства технологии производства. Однако в последнее время метод испытаний стал малоэффективен по следующим причинам.
1) Повышение надёжности компонентов и устройств сделало длительность испытаний на отказ дорогой и практически неосуществимой.
2) Проведение, так называемых, ускоренных испытаний, требует знания и понимания механизмов отказа, то есть сложных физико-химических процессов, происходящих в элементах, компонентах и изделиях в целом.
3) Обновление микросхем идет настолько динамично, что испытания, как таковые, вообще подчас теряют смысл. Кроме того, фирмы-производители, как правило, переходят на микросхемы частного применения, разрабатываемые и выпускаемые малыми сериями для конкретного устройства.
Все вышеперечисленные причины указывают на необходимость разработки расчётных методов прогнозирования надёжности компонентов и изделий на основе знания свойств исходных материалов, технологических процессов и особенностей их конструкции. Однако в настоящее время разработка таких методов с применением физического и математического моделирования по существу только начинается и является предметом скорее науки, чем практики.
В данной дипломной работе осуществляется прогностический расчёт надёжности [9].
Так как интенсивности отказов комплектующих изделие элементов являются сложной многопараметрической функцией, то математическая модель прогностического расчёта надёжности простого изделия представляется в виде:
, (5.43)где L - суммарное значение интенсивности отказов модуля;
Кэ - коэффициент зависимости от условий эксплуатации;
Ку - коэффициент роста надёжности комплектующих изделий;
lpi - рабочая интенсивность отказов i-ого комплектующего элемента.
Рабочие интенсивности отказов комплектующих элементов определяются зависимостью:
, (5.44)где l0i - справочное значение интенсивности отказов i-ого комплектующего элемента для нормальных условий [9];
аi - поправочный коэффициент, учитывающий влияние электрической и тепловой нагрузки элемента на интенсивность его отказов [9].
Среднее время безотказной работы определяется отношением:
. (5.45)Все данные по расчёту интенсивности отказов ГИС сведены в табл. 5.1.
Таблица 5.1 Расчёт интенсивности отказов модуля
| № п/п | Элемент или группа элементов | Кол. эле-мен-тов, шт. | Режим работы | Интенсивность отказов | ||||
| КН | аi | в нормальном режиме l0×10-6 ,1/ч | в рабочем режиме lр×10-9 ,1/ч | группы элементов lр×10-9 ,1/ч | ||||
| 1 | Конденсаторы плёночные | 3 | 0,2 | 0,12 | 0,02 | 2,4 | 7,2 | |
| 2 | Резисторы плёночные | 3 | 0,1 | 0,1 | 0,01 | 1 | 3 | |
| 3 | Микросхемы | 3 | 1 | 1 | 0,2 | 200 | 600 | |
| 4 | Пайки | 38 | - | - | 0,001 | 1 | 30 | |
| 5 | Сварки | 16 | - | - | 0,0005 | 0,5 | 8 | |
| Итого | 648,2 | |||||||
Имеем: Кэ=1; Ку=0,95.
Интенсивность отказов ГИС в целом:
L = 6,1579× 10-7 1/час.
Среднее время безотказной работы:
Т = 1 623 930 часов или 185 лет, что удовлетворяет параметрам надёжности.
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе дипломной работы был разработан автоматизированный пьезоэлектрический измеритель влажности для контроля технологических сред, параметры которого полностью удовлетворяют требованиям технического задания. Измеритель позволяет с достаточно высокой точностью определить уровень влажности, который является важным параметром многих технологических процессов, и от которого в дальнейшем зависит работоспособность и качество будущего изделия.
В рамках работы разработана структурная, функциональная и принципиальная схемы устройства, топология и конструкция измерителя в виде ГИС. Произведены исследования зависимости частоты пьезокварцевого сенсора от влажности газовой среды.
В технологическом разделе приведены обоснования выбора материалов для ГИС; рассмотрены методы формирования тонкоплёночных структур; описаны техпроцесс производства измерителя и его испытания.
В конструкторском разделе рассчитана конструкция измерителя в виде ГИС; определены методы защиты измерителя от дестабилизирующих факторов и рассчитана надёжность изделия.
В организационно-экономическом разделе разработан сетевой график выполнения дипломной работы и произведён расчёт параметров экономической эффективности:
1. затраты на НИОКР – 23300 руб.;
2. себестоимость изделия – 483 руб.;
3. экономический эффект за 5 месяцев – 5105 руб.
В рамках раздела охраны труда произведён анализ потенциально опасных и вредных производственных факторов на рабочем месте.
Разработанный измеритель имеет следующие параметры:
1. диапазон измеряемой влажности 10 ...100 %;
2. погрешность измерителя 1 %;
3. среднее время безотказной работы 185 лет.
Измеритель влажности в различных своих модификациях может встраиваться в технологические объёмы или различное оборудование. Он позволяет легко и быстро анализировать результаты, даёт возможность автоматического контроля или анализа влажности в сопряжении с различными устройствами управления технологическими процессами или ЭВМ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бегунов А.А. Теоретические основы и технические средства гигрометрии. Метрологические аспекты. – М.: Издательство стандартов, 1988. – 176 с. с ил.
2. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Учеб. пособие для вузов. - Л.:Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983. – 320 с., ил.
3. Аванесян Г.Р., Левшин В.П. Интегральные микросхемы ТТЛ, ТТЛШ: Справочник. – М.: Машиностроение, 1993. – 256 с.: ил.
4. Конструирование и технология микросхем. Курсовое проектирование: Учеб. пособие для вузов / Коледов Л.А., Волков В.А., Докучаев Н.И. И др.; Под ред. Л.А. Коледова. - М.: Высш. шк., 1984. - 231 с., ил.