Конструирование ГИМС (стр. 2 из 3)
При изготовлении коммутационных соединений и контактных площадок тонкопленочной ГИС часто применяют многослойную структуру, состоящую из подслоя, токопроводящего и защитного слоев. Подслой, выполняемый из нихрома, хрома, ванадия и других материалов, улучшает адгезию токопроводящих слоев с подложкой. Для проводящих слоёв хорошо подходят золото, медь, тантал, Al. Верхний слой многослойной структуры выполняется из никеля, серебра и служит для защиты от внешних воздействий. Для защиты проводников и контактных площадок иногда производят их облуживание припоем. Из проводящих материалов часто применяются золото, медь, алюминий. Золото – очень дорогой материл, так же он требует нанесения подслоя из нихрома, его используют в микросхемах повышенной надёжности, в моём же случае это не обязательно. Медь для защиты от коррозии нужно обязательно покрывать слоем золота, никеля или серебра, что повысит стоимость. Для пайки медные контактные площадки облуживают погружением схемы в припой, но тогда надо защищать остальные плёночные элементы. В качестве материала проводников я выбрал алюминий. Он обладает высокой коррозийной стойкостью, никелируют его только для пайки. В моём случае присоединение выводов осуществляется сваркой, а потому алюминий я могу использовать без дополнительных слоёв. Так же он дёшев, широко распространён. В соответствии с таблицей 1.2 материалом контактных площадок для РС-3001 является структура: золото с подслоем нихрома. Так как я для этой цели использую алюминий, я обязан увеличить значение γRК на 1%.
1.2 Выбор конструкции пленочных элементов и описание методики их расчета
1.2.1 Резистор.
Пленочный резистор конструктивно состоит из резистивной пленки, имеющей определенную конфигурацию, и контактных площадок. На рисунке 1.1 представлены наиболее часто применяемые их конфигурации: на рисунке 1.1 а - резистор прямоугольной формы, подходящий для резисторов с небольшим сопротивлением и коэффициентом формы меньше 10, на рисунке 1.1 б – резистор типа меандр. Данную конфигурацию используют для резисторов с большим сопротивлением и коэффициентом формы больше 10. Во всех конфигурациях отсутствуют наклонные кривые линии различных радиусов, поэтому изготовление фотошаблонов резистивных слоев ГИС существенно упрощается.
1.2.3 Описание методики расчета резистора
Конструктивный расчет тонкопленочных резисторов заключается в определении формы, геометрических размеров и минимальной площади, занимаемой резисторами на подложке. При этом необходимо, чтобы резисторы обеспечивали рассеивание заданной мощности при удовлетворении требуемой точности γR в условиях существующих технологических возможностей.
Порядок расчета резистора прямоугольной формы
Рассчитаем коэффициент формы Кф по формуле (1.1)
Кф =
(1.1)где R – номинальное значение сопротивления, Ом;
ρS – поверхностное сопротивление материала, Ом/□.
Рассчитаем минимальную ширину резистора bр, мм, при которой обеспечивается заданная мощность по формуле (1.2)
bр =
(1.2)где Р – мощность, Вт;
Р0 –предельное значение удельной мощности рассеяния, Вт/см2.
Рассчитаем температурную погрешность γRt,%, по формуле (1.3)
γRt = άR*(tmax - 20°C)*100% (1.3)
где άR – температурный коэффициент сопротивления, 1/°С;
tmax – температурный диапазон, °С.
Рассчитаем относительную погрешность коэффициента формы γКфmax,%, по формуле (1.4)
γКфmax = γR - γρs - γRt - γRk - γRст (1.4)
где γR - относительная погрешность сопротивления, %;
γρs - относительная погрешность формирования поверхностного сопротивления ,%;
γRt - температурная погрешность, %;
γRk - погрешность сопротивления контактной области, %;
γRст - относительная погрешность сопротивления, %.
Рассчитаем минимальную ширину резистора bточн, мм, обусловленную точностью воспроизведения, по формуле (1.5)
bточн =
(1.5)где ∆l,∆b – абсолютная погрешность формирования геометрических размеров, мм;
Выбираем ширину резистора не меньше самого большого из трех значений bтехн, bP, bточн по формуле (1.6)
b > = max (bтехн; bP; bточн) (1.6)
где bтехн – разрешающая способность метода формирования пленки, мм.
Рассчитаем рабочую длину резистора l, мм, по формуле (1.7)
l = b*КФ (1.7)
Рассчитаем полную длину резистивной пленки l0, мм, по формуле (1.8)
l0 = l + 2*l1 (1.8)
где l1 - величина перекрытия резистивной и проводящей пленок, мм.
Площадь S, мм, занимаемая резистором рассчитывается по формуле (1.9)
S = b*l0 (1.9)
1.3 Расчет топологических размеров элементов
1.3.1 Расчет топологических размеров резисторов
В результате проведения расчетов у меня получилось 13 резисторов прямоугольной формы, эскиз которого приведён на рисунке 1.1 а. Результаты расчёта резисторов приведены в таблице 1.4.
Таблица 1.4 Результаты расчета резисторов.
| Наименование элемента | КФ | bP мм | γRt % | γКфmax % | bтех мм | bточн мм | b мм | l мм | l0 мм | S мм2 |
| R1 | 1 | 0,7 | 2.1 | 8,4 | 0,2 | 0,48 | 0,8 | 0,8 | 1,3 | 0,91 |
| R2 | 2.5 | 0,45 | 2.1 | 8.4 | 0,2 | 0,33 | 0,45 | 1,13 | 1,73 | 0,78 |
| R3 | 5.1 | 0.31 | 2.1 | 8.4 | 0,2 | 0,29 | 0,35 | 1,8 | 2,4 | 0,84 |
| R4 | 3 | 0,5 | 2.1 | 8.4 | 0,2 | 0,32 | 0,5 | 1,5 | 2,1 | 1,05 |
| R5 | 7.3 | 0,37 | 2.1 | 8.4 | 0,2 | 0,27 | 0,4 | 2,9 | 3,5 | 1,4 |
| R6 | 11 | 0,34 | 2.1 | 8.4 | 0,2 | 0,5 | 0,5 | 5,5 | 6,1 | 3,05 |
| R7 | 6.5 | 0,39 | 2.1 | 8.4 | 0,2 | 0,27 | 0,4 | 2,6 | 3,2 | 1,28 |
| R8 | 1 | 0,7 | 2.1 | 8,4 | 0,2 | 0,48 | 0,8 | 0,8 | 1,3 | 0,91 |
| R9 | 5.1 | 0.31 | 2.1 | 8.4 | 0,2 | 0,29 | 0,35 | 1,8 | 2,4 | 0,84 |
| R10 | 3 | 0,5 | 2.1 | 8.4 | 0,2 | 0,32 | 0,5 | 1,5 | 2,1 | 1,05 |
| R11 | 6.5 | 0,39 | 2.1 | 8.4 | 0,2 | 0,27 | 0,4 | 2,6 | 3,2 | 1,28 |
| R12 | 7.3 | 0,37 | 2.1 | 8.4 | 0,2 | 0,27 | 0,4 | 2,9 | 3,5 | 1,4 |
| R13 | 2.5 | 0,45 | 2.1 | 8.4 | 0,2 | 0,33 | 0,45 | 1,13 | 1,73 | 0,78 |
1.4 Выбор размера платы и разработка топологии платы
При разработке топологии ГИС, согласно приложению Б, за основу принимается принципиальная электрическая схема, преобразованная с учетом конструктивных особенностей плёночных и навесных элементов, а также межсоединений.
В ГИС пересечения проводников осуществляются двумя способами: через диэлектрик и под проволочными выводами активных элементов. В первом случае два проводника, в месте их пересечения, разделяются слоем диэлектрика, но за счёт этого появляются значительные паразитные ёмкости, поэтому чаще пользуются вторым методом, когда проводники проходят под выводами навесных элементов.
На топологическом чертеже плату изображают со всеми нанесёнными на нее слоями, с указанием позиционных изображений элементов в соответствии с принципиальной электрической схемой. Каждый слой обозначают соответствующей штриховкой. Контактные площадки нумеруются, начиная с левого нижнего угла чертежа.
При конструировании ГИС необходимо выполнять общие правила и ограничения:
1. навесные компоненты рекомендуется по возможности располагать рядами, параллельными сторонам платы;
2. не допускается установка навесных компонентов на плёночные конденсаторы, плёночные индуктивности и пересечения плёночных проводников;
3. не допускаются резкие изгибы и натяжение проволочных проводников. Не рекомендуется делать перегиб проволочного вывода через навесной компонент;
4. не допускается оставлять незакреплёнными участки гибких выводов длиной более 3 мм;
5. проволочные вывода навесных элементов надо стараться проводить как можно дальше друг от друга, так как они не натянуты и могут соприкоснуться, вызвав тем самым короткое замыкание.
Топологический эскиз моей ГИС имеет следующие особенности:
- самый большой навесной элемент – ИМС – расположен в левом верхнем углу;
- три транзистора VT5, VT6, VT9 расположены в левом нижнем углу, в ряд;
- транзисторы VT1, VT2, VT3, VT4 расположены группой в правом верхнем углу;
- самый большой резистор R6 расположен в центре платы, вертикально;
- контактных площадок 14, из них 9 расположены на верхней стороне платы, 5 - на нижней.
Площадь платы рассчитывают по формуле (1.33)
S = K *(
+ 
+ 
+ 
* n ) (1.33)