Разработка конструкции и технологии микроэлектронного варианта «Генератор звука НЧ»

Тонкие пленки плат МСБ  общего назначения получают методами термического испарения исходных материалов в вакууме или ионно-плазменного  распыления.

Метод термического испарения  в вакууме основан на создании направленного потока пара вещества и последующей конденсации его  на поверхностях подложек, имеющих  температуру ниже температуры источника пара. Пленка при конденсации формируется из отдельных атомов или молекул пара вещества. Процесс термического испарения в вакууме состоит из четырех этапов: образование пара вещества, перемещение частиц пара от источника к подложкам, конденсация пара на подложках, образование зародышей и рост пленки. Качество и прочность пленок в большей степени зависят от чистоты подложки. Поэтому поверхность подложки предварительно полируется и тщательно очищается. Достоинствами данного метода являются его простота и универсальность. Недостатки: загрязнение рабочей пленки своими атомами; невозможность распыления тугоплавких материалов; инерционность; расход ресурса резистивного материала.

Метод ионного-плазменного  распыления. В системах распыления диодного типа (катодное распыление) на распыляемую мишень-катод направляется поток ионов газа, ускоренных электрическим  полем от нескольких сотен электронвольт  до килоэлектронвольт, которые, бомбардируя  мишень, выбивают частицы распыляемого вещества, осаждающегося на подложку, расположенную вблизи анода. Если процесс распыления проводить в химически активной среде, то на подложке осаждаются продукты взаимодействия распыляемого вещества с атомами активной среды (окислы, нитриды и т.п.). Такое распыление называют реактивным. Рабочая среда находится при пониженном давлении (1...10Па), в ней возбуждается тлеющий разряд. Катодное распыление имеет следующие преимущества перед термическим: большая площадь поверхности распыления, что обеспечивает получение более равномерных по толщине покрытий; возможность распыления тугоплавких металлов и сплавов без изменения состава; отсутствие разогретых деталей в вакуумной камере, лучшая адгезия пленок из-за высокой энергии ионов; возможность нанесения реактивных пленок; легкость очистки поверхности катода; возможность точной регулировки толщины пленки изменением напряжения на электродах, разрядного тока, времени процесса, а также давления инертного и реактивного газов; универсальность метода (могут быть распылены металлы с различными свойствами); возможность изготовления многослойных пленок одновременным распылением нескольких мишеней; безынерционность (распыление материала происходит лишь при наличии напряжения на мишени и сразу же прекращается после его снятия); применение мишеней с большим запасом распыляемого материала позволяет широко использовать распыление ионной бомбардировкой в установках и линиях непрерывного действия. Недостатки метода: меньшая скорость нанесения покрытий; более сложные источники питания и конструкция электродов; высокие требования к чистоте газов.

На основании написанного  выше сказанного для получения тонких пленок будем использовать метод  ионно-плазменного распыления.

Основными методами получения  конфигурации тонкопленочных элементов  являются методы свободной маски, контактной маски, фотолитографии с последующим  селективным травлением одного или  двух рабочих слоев.

Метод свободной (съемной) маски  основан на экранировании части  подложки от потока частиц напыляемого  вещества с помощью специального трафарета - съемной маски, которая  с высокой точностью повторяет  спроектированную топологию тонкопленочной структуры. Маску называют съемной, потому что она изготавливается  и существует отдельно от подложки. Съемная маска — это тонкий экран из металлической фольги с  отверстиями, очертания и расположение которых соответствуют требуемой  конфигурации напыляемой пленки. При  напылении пленочных элементов  маску закрепляют в маскодержателе, который обеспечивает плотный прижим и ее фиксированное положение  по отношению к подложке. В промышленных условиях наибольшее распространение  получили биметаллические маски.

Такие маски представляют собой пластину толщиной 80-100мкм  из бериллиевой бронзы, покрытую с  одной или двух (для трехслойных  масок) сторон тонким слоем никеля (10-20мкм). Бронзовая пластина служит механическим основанием, конфигурация достигается  за счет рисунка в слое никеля.

Контактная маска в  виде рельефного слоя с отверстиями  предназначена для однократного пользования. Контактная маска изготавливается непосредственно на подложке или пластине и удерживается на ее поверхности силами адгезионного сцепления. Контактные маски могут формироваться с помощью оптической, рентгеновской, электронной литографии и др. Наиболее изучена, технически отработана и широко применяется в производстве контактная фотолитография.

Под фотолитографией понимают процесс образования на поверхности  подложки с помощью светочувствительных  материалов локальных защитных участков пленки, рельеф которых повторяет  рисунок топологии прибора или  схемы, и последующего переноса этого  микроизображения на подложку. Сущность процесса фотолитографии заключается  в следующем: на поверхность специально обработанной пластины (подложки) наносят  тонкий слой светочувствительного материала - фоторезиста. После высыхания фоторезиста  на исходной подложке образуется прочная  пленка. Облучение этой пленки фоторезиста  через фотошаблон приводит к изменению  ее свойств. Проявление и полимеризация  пленки фоторезиста позволяет получить в ней рельеф нужного рисунка, т.е. открытые (свободные от пленки фоторезиста) и закрытые (наличие пленки фоторезиста) участки пленки. Используются позитивные (при облучении приобретает способность к растворению) и негативные фоторезисты (при облучении теряет способность к растворению). Преимуществами процесса фотолитографии являются универсальность, массовость, технологичность, возможность автоматизации. С помощью фотолитографии на одной подложке можно получить большое число элементов, что позволяет проводить групповую обработку подложек по заранее выбранному технологическому маршруту. Недостатком данного метода является использование химического удаления материалов, т.е. экологически грязная процедура.

Для получения конфигурации тонкопленочных элементов применим метод двойной фотолитографии, т.е. одновременно получение проводящего  и резистивного слоев.

 

 

 

 

 

 

 

5.  Разработка топологии МСБ

Коммутационную схему  МСБ  получают преобразованием заданной принципиальной электрической схемы, в которой все дискретные компоненты, а также электрические соединения по входу - выходу заменяются соответствующими контактными площадками.

Укрупненные контактные площадки [1X1] мм являются внешними (периферийными), все остальные - внутренними [0,5 X 0,5] мм. Монтаж навесных компонентов производим с помощью пайки. Данная коммутационная схема содержит 4 внешних и 13 внутренних контактных площадок. Номера контактных площадок и обозначения элементов показаны условно и соответствуют схеме электрической принципиальной.

Для выбора типоразмера подложки необходимо рассчитать суммарную площадь, занимаемую тонкопленочными резисторами S_R ,а также площадь S_H, приходящуюся на все навесные (дискретные) компоненты (конденсаторы, резисторы, транзисторы):

 

 

 

Находим площадь, занимаемую контактными площадками:

 

 

Расчетная величина площади  подложки:

 мм²

 

По проделанному расчету  выбираем типоразмер подложки (Л1, табл 2.3), размер которой (10х12)мм ± 0,1мм, толщина подложки 0,5^+олмм. Неперпендикулярность сторон подложки после резки должна быть не более 0,1мм.

В качестве материалов подложек МСБ, работающих на низких и высоких  частотах, используют ситалл СТ50-1 ОСТ 11.094.022-75.

Топология МСБ изображена в масштабе 10:1 с шагом координатной сетки 0,01 мм. Элементы и компоненты располагаем как можно ближе, вход и выход пространственно развязываем. Припуск на совмещение слоев МСБ принимаем равным 0,2мм. Минимальное расстояние между проводниками принимаем равным 0,2мм. Толщину проводников принимаем равной 0,2 мм. Навесные элементы приклеиваем к плате МСБ и соединяем с соответствующими контактными площадками посредством пайки.

 

Рассчитаем массу МСБ:

 

 

Где      V – объем подложки

    - плотность материала подложки

         

 

 

 

 

 

2. Разработка конструкции  ФЯ.

2.1 Оценка количества  МСБ в составе ФЯ.

 

Исходные данные:

- Размеры платы МСБ (12х10)мм

- Число элементов и компонентов  МСБ N=8

- Мощность МСБ 

 

Определим параметры базовой МСБ.

 

За размер платы базовой МСБ  примем (30х24)мм, что означает, что  она в 6 раз больше и сложнее  исходной МСБ (12х10)мм

 

 

Следовательно, число элементов  и компонентов базовой МСБ

 

 

Мощность, потребляемая базовой МСБ:

 

Мощность потребляемая ФЯ:

)

 

Мощность потребляемая блоком:

 

  Вт (по согласованию  с консультантом примем мощность  потребляемую блоком равную 19,7 Вт)

 

2.2 Разработка  конструкции ФЯ

 

Рис.2.2

 

Определим геометрические размеры ФЯ (Л2, стр 41).

Высота односторонней  ФЯ равна высоте рамки, которая может  быть найдена как:

 

Где:

- высота МСБ

- толщина планки

- толщина диэлектрической прокладки

- толщина печатной платы

- высота паек на печатной  плате

- суммарная толщина клеевых  соединений

- суммарная толщина воздушных  зазоров, исключающих контактирование  элементов соседних ФЯ.

 

Высота МСБ:

Где - толщина подложки

       - максимальная высота компонента, устанавливаемого на подложке.

 

     т.к. 

 

Толщина диэлектрической  прокладки между рамкой и печатной платой обычно составляет 0,05…0,1 мм,

толщина печатной платы 

высота паек на плате 

 

Толщина воздушных  прослоек между элементами соседних ФЯ определяется прогибом основания  ячейки при механических воздействиях. С учетом высокой жесткости рамки  на изгиб можно принять  на каждую сторону ячейки.

Тогда:

 

Расчет длины  и ширины рамки производится по данным геометрических размеров и количества МСБ, размещенных на рамке. По размерам и числу МСБ, устанавливаемых  на одной планке, находят размеры  планок, к которым добавляют размеры  других элементов рамки.

ФЯ содержит 2 планки. МСБ расположены длинной стороной (30 мм) поперек планки.

Ширина планки

Где: - длина МСБ

Длина планки

Где: n – число МСБ на планке

- расстояние между МСБ и горизонтальными  ребрами жесткости рамки.

Обычно  не превышает 1…2 мм.

Тогда:

 

Типовые размеры  основных элементов ФЯ: ширина внешних  поперечных ребер жесткости 3 мм, продольных внешних и внутренних 3 мм, ширина окон для пайки выводов МСБ 5,5 мм, ширина зоны внешних соединений ФЯ 5мм.

Определим ориентировочные  размеры ФЯ:

 

Длина ФЯ: мм

     Ширина ФЯ: мм

 

Рассчитаем  массу ФЯ:

 

 

, где

– объем ФЯ

= 2,73 г/см³ – плотность материала ФЯ для алюминиевого сплава АМц

 

В виду того что в рамке предусмотрены  отдельные окна под навеску и  окна под установку МСБ, приведем приблизительный расчет объема ФЯ,

Рассчитаем  объем ФЯ путем складывания объемов  отдельных деталей конструкции  ФЯ:

 

Общий вес  ФЯ:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3  Оценка  вибропрочности ФЯ.

Для оценки вибропрочности ФЯ выберем наихудшие  условия транспортировки или  эксплуатации. Рассматриваемое устройство является носимым РЭС, условия транспортировки  морским транспортом. На основании (Л4, табл. 3.3, стр. 71) морской транспорт  имеет значения перегрузок 20 (по ТЗ пример перегрузку, равную 20) и частоту  вибрации в диапазоне 5...150Гц. Общий  вес ячейки 0.362

Рамка ФЯ выполнена из алюминиевого сплава АМц  с константами упругости , коэффициент Пуассона , толщина планок рамки 0,8мм.

Печатная  плата приклеена к рамке антивибрационным компаундом  КТ-102 по всей поверхности  прилегания. Материал платы - стеклотекстолит  СФ-2Н-50-0,8 толщиной 0,8мм и ;

Несущественным  влиянием подложек микросборок на жесткость  ФЯ пренебрегаем.

Изгиб ФЯ вокруг осей OZ, ОХ обуславливается конечной жесткостью конструкции. При этом жесткость конструкций с неоднородными сечениями чаще всего неодинакова при изгибе по отношению к тем или иным осям, поскольку деформации подвергаются различные конструктивные элементы. Оценка наименьшей по величине, наиболее опасной при воздействии вибраций частоты механического резонанса ФЯ должна осуществляться путем выбора сечений с заведомо малым (в сравнении с другими) моментами инерции сечения. При отсутствии однозначности в таком выборе единственный способ не допустить ошибки это анализ ряда сечений с оценкой .

Проведем  расчет вибропрочности для сечения  А-А. Представим сечение А-А состоящим  из элементарных прямоугольных фигур, габариты которых показаны на рис. 2.

Рис 2.3.1 Элементарные прямоугольные фигуры в сечение А-А

 

Цилиндрическая  жесткость ФЯ складывается из жесткости  печатной платы и жесткости рамки:

 

Для оценки жёсткости рамки  необходимо вычислить момент инерции сечения А-А. Для этого найдём моменты инерции сечений элементарных фрагментов:

 

 

 

 

Для определения  момента инерции  сечения А-А необходимо предварительно определить координату центра тяжести сечения А-А и расстояния между центром тяжести сечения А-А и центрами тяжести элементарных фрагментов 1,2,3.

 

Подставив значения получим

 

При расчёте учтём, что некоторые  элементарные фрагменты встречаются  не один раз.