Корпусная микросборка с жесткими выводами

Материал для изготовления обкладок конденсаторов по заданию [24, табл.2] – алюминий. Конкретно принимаем алюминий А99 ГОСТ 11069-74. Сопротивление квадратной алюминиевой пленки любого размера, имеющей толщину 0,25 мкм (0,25^.10^-6 м), равно R₀=0,2 Ом [24, табл.2].

Диэлектрические потери – это мощность, рассеиваемая в  диэлектрике при воздействии на него переменного электрического поля. Рассеяние электрической мощности в диэлектрике сопровождается его разогревом. В синусоидальном поле диэлектрические потери характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерь. Углом диэлектрических потерь называют угол, дополняющий до 90⁰ угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи, содержащей исследуемый диэлектрик. Значение определяет ту долю электрической энергии, которая необратимо переходит в теплоту (теряется в диэлектрике) за один период колебаний электрического поля [21, с126].

В схеме RC-автогенераторов с двойным Т-образным мостом (см. рис.1 на с.6 данной пояснительной записки) возбуждаются автоколебания на квазистационарной частоте , когда реактивное сопротивление становится равным R2 [26, с.259 – 260]:

= ,                            (1.2.16)

где =13800 – номинальное сопротивление резистора R2, Ом; =3300^.10^-12 – номинальная емкость конденсатора С2, Ф.

При расчете тонкопленочных конденсаторов тангенс угла потерь предлагается [3, c.31] вычислять по формуле:

,                                             (1.2.17)

где – тангенс угла потерь i-го конденсатора; = 0,004 – тангенс угла потерь материала диэлектрика [24, c. 7, табл.2]; – номинальная емкость i-го конденсатора, пФ; и – активное сопротивление соответственно верхней и нижней обкладок конденсатора, Ом; – квазистационарная круговая частота, Гц.

Принимаем сопротивление  обкладок конденсаторов 0,08 Ом. Толщину алюминиевых пленок – обкладок конденсаторов найдем из пропорции мкм. (Здесь удельное сопротивление пленки-обкладки конденсатора R₀=0,2 при толщине пленки 0,25 мкм [24, с.8, табл.2]).

В итоге тангенс угла потерь конденсатора С1 составит:

= = 0,004     (1.2.18)

Тангенс угла потерь конденсаторов  С2 и С3 составит:

= = 0,004     (1.2.19)

Из расчета по формулам (28) и (29) видно, что в данном случае при относительно низкой квазистационарной круговой частоте Гц угол диэлектрических потерь конденсаторов полностью определяется углом диэлектрических потерь материала диэлектрика между их верхней и нижней обкладками.

 

1.3. Расчет точности

В пункте 1.2. данной пояснительной  записки показано, что в схеме RC-автогенераторов с двойным Т-образным мостом (рис.1 на с.6) возбуждаются автоколебания на квазистационарной частоте , когда реактивное сопротивление становится равным R2 [26, с.259 – 260]. Номинальной, наиболее вероятной квазистационарной частотой заданного Т-образного моста является:

= ,                          (1.3.1)

где =13800 – номинальное сопротивление резистора R2, Ом; =3300^.10^-12 – номинальная емкость конденсатора С2, Ф.

Допустим, что  частота  должна поддерживаться микросборкой с 2% точностью, т.е.       =(< > )=(22000 440) Гц, = ,

где =440–допустимое абсолютное отклонение частоты, Гц; – относительное отклонение частоты.

Относительное отклонение частоты равно сумме относительных  отклонений от номинальных величин резисторов R2 и конденсаторов С2:

,                                (1.3.2)

где – допустимое абсолютное отклонение от номинального значения сопротивления резистора R2, Ом; – допустимое абсолютное отклонение от номинального значения емкости конденсатора С2, Ф.

Если допустить, что сопротивления и конденсаторы вносят равные погрешности в частоту, получаем:

13800^.0,01=138 Ом; 3300^.10^-12.0,01=33^.10^-12 Ф.

При изготовлении микросборки  для обеспечения необходимой точности ее работы следует выдержать в заданных пределах номинальные значения величин сопротивлений и конденсаторов:

R2=(13800 138) Ом;                    С2=С3=(3300 33)^. 10^-12 Ф.        (1.3.3)

 

1.4. Расчет печатных проводников

Печатные проводники проходят на достаточно близком расстоянии друг от друга и имеют относительно малые линейные размеры сечения, поэтому большое значение приобретают вопросы учета параметров проводников и высокочастотных связей между ними.

Определим основные характеристики печатных проводников.

Сопротивление проводника определяется выражением R=rl/(bt),   (1.4.1)

Где r – удельное объемное электрическое сопротивление проводника, мкОм/м; l – длина проводника, м; b – ширина проводника,м; t – толщина проводника, м.

Величина r различается для проводников, изготовленных различными методами. Так, для медных проводников, полученных электрохимическим осаждением, r равно 0,02-0,03 мкОм/м.

Величина тока в печатных проводниках определяется ограничением на максимально допустимую плотность тока g. Для медных проводников, полученных осаждением,  g = 20 А/мм².

Исходя из этого допустимый ток в печатных проводниках определяется как                                                I = gbt,                                                            (1.4.2)

а ширина должна отвечать следующему условию:       b ³ I/(gt).                  (1.4.3)

В проектируемой микросборке    I₁= 0,00085 А, следовательно толщина проводника должна быть не менее

t=I₁/(bg)=0,00085/(0,2^.20)=0,00022 мм = 0,220 мкм.                             (1.4.4)

В отличие от постоянного  тока распределение переменного  тока в печатных проводниках происходит неравномерно. Это обусловлено наличием поверхностного эффекта, возникающего при протекании по проводнику высокочастотного переменного тока. С учетом этого вводим 25% запас по толщине проводников и окончательно получаем:

t_р = 1,25^.t = 1,25^.0,220 = 275 мкм.                                                   (1.4.5)

 

 

1.5. Экономичность конструкции

Экономичность конструкции микросборки определяется затратами на ее разработку, производство и эксплуатацию. При разработке решающим является время, так как изделие  может оказаться устаревшим ранее, чем закончится разработка. В свою очередь, поспешно разработанная конструкция может потребовать большого времени и средств на освоение и производство.

Экономические характеристики сборочных единиц и  всего изделия во многом зависят от схемы, так как она определяет взаимосвязь входящих в нее элементов и их параметров. Общие показатели функциональной схемы, влияющие на экономические характеристики, следующие:

а) возможность  ее разделения на такие блоки, которые  могут получиться конструктивными, технологичными и эксплуатационно  автономными;

б) возможность использования недорогих материалов, полуфабрикатов и типовых изделий.

Влияние схемы блока  и ее параметров на экономические характеристики определяется числом различных функций, выполняемых схемой; точностью выполнения заданных функций и их взаимосвязью; степенью всех взаимозависимостей элементов и их режимов.

Точность выходных параметров блока зависит от точности параметров первичных элементов. При увеличении точности параметров первичных элементов увеличиваются затраты на разработку и производство.

Наибольший экономический  эффект получают при использовании хорошо проверенной схемы. Применение новых схем связано с дополнительными затратами, которые тем больше, чем сложнее схема и чем меньше сведений о ней имеется. Эти затраты могут увеличиться в 5—10 раз по сравнению с затратами при работе с известными схемами. Кроме того, экономические характеристики изделия определяются условиями использования типовых элементов и их новизной (конденсаторы, резисторы и т.д.). Дорогие и дефицитные типовые изделия и полуфабрикаты также влияют на увеличение стоимости, поэтому целесообразно их использовать только в том случае, если они дают заметные технические преимущества.

На экономические характеристики большое влияние оказывают конструктивные и технологические особенности изделия. Если микросборка сложна, то применяют блочную конструкцию, которая имеет ряд особенностей:

а) возможна параллельная разработка, а это уменьшает  время создания всего изделия;

б) упрощается защита от внешних воздействий;

в) можно широко использовать конструктивную преемственность;

г) усложняются межблочные соединения, увеличивается число деталей за счет соединительных элементов конструкции, а это уменьшает надежность изделия.

С технологической точки зрения блочная конструкция имеет ряд  преимуществ, к которым можно отнести возможность параллельного выполнения сборочных работ, а, следовательно, упрощения процесса сборки; взаимозаменяемость и возможность улучшения технологичности всей конструкции.

Взаимозаменяемость влияет на экономические  характеристики изделия как при  производстве, так и при эксплуатации. Взаимозаменяемость деталей, сборочных единиц, блоков уменьшает расходы на сборку, налаживание, регулировку и ремонт. В то же время она требует повышенной точности изготовления, что связано с дополнительными затратами. Однако эти затраты быстро окупаются в крупносерийном и массовом производстве.

Качественные характеристики конструкции  зависят в значительной мере от свойств материала. Чем более высокими качествами обладает материал, тем обычно выше его стоимость и он более дефицитен.

Экономические характеристики технологического процесса зависят в большей степени от технологических свойств материалов, что определяет метод изготовления деталей, применяемое оборудование, инструмент и т. д.

Конъюнктура снабжения играет огромную роль в  экономических показателях производственного процесса. Поэтому даже кратковременные срывы сроков получения материалов могут дезорганизовать производство и вызвать большие потери времени и материальных средств. Избежать этого можно только уменьшением номенклатуры применяемых материалов.

 

2. РАЗРАБОТКА ТОПОЛОГИИ И СБОРОЧНОГО ЧЕРТЕЖА

Выполнив  расчет пассивных элементов схемы, производим окончательный выбор типоразмера подложки. Для этого определяем коэффициент использования подложки, который является одной из главных характеристик микросборки. Данный коэффициент представляет собой отношение рабочей площади подложки к общей площади, занимаемой элементами и контактными площадками для навесных выводов. Необходимо стремиться к тому, чтобы коэффициент использования подложки был близким к единице. Максимальное значение этого коэффициента не должно превышать трех.

При вычислении площади, занимаемой резисторами, учитываем  только площадь резистивной пленки между контактными площадками, для  конденсаторов – площадь, занимаемая пленкой диэлектрика.

Вычисляем общую площадь, занимаемую элементами (резисторами и конденсаторами) и контактными площадками для навесных выводов – S_э:

S_э=4^.S_к+S_R1+ S_R2+ S_R3+S_C1+ S_C2+ S_C3=4^.1+1,8+1,8+2,9+29+16+16=71,5 мм²,  (2.1)

где S_к=а_к^.а_к=1^.1=1 – площадь одной контактной площадки, мм²; а_к=1 – длина стороны контактной площадки, мм; S_R1=l_1к^.b_1к=9^.0,2=1,8 – площадь резистивной пленки сопротивления R1, мм²; S_R2= S_R1=1,8 – площадь резистивной пленки сопротивления R2, мм²; S_R3=l_3к^.b_3к=9,6^.0,3=2,9 – площадь резистивной пленки сопротивления R3, мм²; S_C1=S_1д=29 – площадь, занимаемая конденсатором С1, мм²; S_C2=S_2д=16 – площадь, занимаемая конденсатором С2, мм²; S_C3=S_С2=16 – площадь, занимаемая конденсатором С3, мм².

Для микросборки  принимаем подложку из ситалла СТ50-1. При этом размер подложки выбираем из типового ряда типоразмеров, установленного в отечественной промышленности: 10x12, 10x16, 12x30, 12x48, 16x20, 16x30, 16x60, 20x24, 24x30, 30x48 мм.

Исходя из требования, чтобы коэффициент использования подложки K=S_п/S_э лежал в интервале  2<K<3, получаем:

2^.S_э <S_п<3^.S_э, т.е.  2^.71,5 <S_п<3^.71,5 или 143 <S_п<214,5 мм²             (2.2)

где S_п – искомая площадь проектируемой подложки, мм².

Условию (30) соответствует  подложка размером 10х16 мм, имеющая площадь 160 мм². Выбираем эту подложку для дальнейшего конструирования. Коэффициент использования подложки составит менее трех:

K=S_п/S_э=160/71,5=2,24.                                               (2.3)

Пленочные контактные площадки для присоединения внешних выводов располагаем по краям подложки вдоль больших ее сторон. Между краем подложки и контактной площадкой не размещаем элементы схемы и пленочные проводники. Не присоединяем на контактную площадку больше одного навесного вывода; контактные площадки имеют форму квадрата со стороной 1000 мкм. Расстояние между контактными площадками – не менее 200 мкм. Все пленочные элементы микросборки выполняем прямоугольной формы.

Угол поворота коммутационных проводников на подложке – 90^о. Расстояние между элементами и пленочными проводниками – не менее 200 мкм.

Все элементы микросборки, контактные площадки коммутационные пленочные проводники располагаем на подложке не ближе 500 мкм от ее края.

В пленочных  конденсаторах нижняя обкладка выступает  за край верхней обкладки на 200 мкм, при этом пленка диэлектрика выступает за край нижней обкладки также на 200 мкм. Ширина отвода от нижней обкладки конденсатора составляет не менее 400 мкм.

Чтобы обеспечить соединение между разными пленочными слоями, предусматривается перекрытие этих слоев не менее чем на 200 мкм. Величина перекрытия слоев показана на эскизе топологии. Контактные площадки резисторов перекрывают резистивный слой и выступают по бокам за его края не менее чем на 200 мкм. Ширина резисторов и соединительных проводников принята не менее 200 мкм. Резисторы с номиналом более 5000 Ом спроектированы из одинаковых последовательно соединенных резистивных пленок.