Разработка конструкции блока

5. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ БЛОКА.

5.1. Выбор метода конструирования.

Разрабатываемая конструкция относится к классу ракетно-космической аппаратуры. В ТЗ заданы габариты блока, ограничение по его массе, условия эксплуатации - диапазон вибрации и линейные перегрузки. При конструировании бортовых РЭС - ракетных или космических отраслевая унификация мало приемлема. Для ракетных РЭС, практически всегда применим, функционально-узловой метод, для космических аппаратов - комбинированный. В нашем случае, наиболее приемлем функционально-узловой метод. Он позволяет обеспечить функциональную законченность изделия, а также минимизировать массу блока, что немаловажно для ракетно-космической аппаратуры.

Выберем компоновочную схему ФЯ. Как уже было показано в разделе "Анализ ТЗ", наилучшая схема компоновки - книжная, без применения поворотной крепежной оси. Книжная схема компоновки более компактна, по сравнению с разъемной, и позволяет осуществить проверку и настройку ячеек во включенном состоянии. Кроме того, по условиям ТЗ блок не ремонтопригоден, поэтому отпадает необходимость в замене ФЯ (что для книжной схемы компоновки весьма затруднительно).

5.2. Выбор конструкционных материалов.

При конструировании коммутатора основное внимание необходимо уделить выбору материала печатных плат, поскольку они является основными узлами функциональных ячеек, содержащими все электронные компоненты блока.

5.2.1. Выбор материала печатных плат.

Выбор материала печатных плат будем проводить с использованием комплексного критерия качества. Методика расчета приводилась в разделе "Выбор элементной базы".

В настоящее время, широкое применение в области ракетно-космической аппаратуры нашли следующие материалы печатных плат:

- Стеклотекстолит фольгированный СФ2 ГОСТ ;

- Стеклотекстолит фольгированный СОНФ2 ТУ 16-503.204-80;

- Стеклотекстолит фольгированный СТФ2 ТУ16-503.161-83;

- Полиимид фольгированный ПФ2 ТУ 16-503.208-81;

Проанализируем требования, предъявляемые к материалу печатной платы. При выборе материала платы необходимо учитывать условия эксплуатации блока:

- интервал температур от -50°С до +50°С.

- вибрации в диапазоне частот от 3 до 2 500 Гц при ускорении до 49 м/с2.

- линейные нагрузки до 147 м/с2.

Для обеспечения вибро - и ударопрочности разрабатываемой конструкции, плата с двумя микросборками (модули М4) клеится к основанию 3-й функциональной ячейки. В этом случае, плата не является несущей конструкцией, поэтому, нет необходимости обеспечивать ее достаточную механическую прочность.

В процессе эксплуатации на плату, с установленными на ней микросборками, воздействуют низкочастотные вибрации и линейные ускорения до 15g. Для обеспечения надежного крепления микросборок к печатной плате, необходимо обеспечить достаточно высокую адгезионную стойкость металлической фольги к диэлектрику.

По условиям ТЗ, блок должен быть работоспособен при температуре +50°С. На печатных платах ФЯ расположены тепловыделяющие элементы - МСБ, микросхемы, резисторы и тд. Учитывая наличие тепловыделяющих элементов, необходимо применять материалы с повышенной теплостойкостью.

("1") Разрабатываемый блок является цифро-аналоговым. Для уменьшения времени задержки необходимо минимизировать паразитные емкости между элементами, установленными на плате. Эта задача решается с помощью применения материалов плат с низкой диэлектрической проницаемостью.

Для поддержания постоянных значений напряжений и токов логического "0" и логической "1" необходимо уменьшать ток утечки. С целью минимизации токов утечки между соседними проводниками платы необходимо использовать материалы плат с высоким поверхностным сопротивлением. Для минимизации токов утечки между проводниками, расположенными на разных сторонах платы необходимо использовать материалы плат с высоким удельным сопротивлением.

Опираясь на этот анализ и тенденции развития ракетно-космической аппаратуры, выбираем следующие показатели качества:

1. FСДВ - Адгезионная стойкость механической фольги к диэлектрику;

2. Т - Теплостойкость;

3. εR - Диэлектрическая проницаемость;

4. ρS - Поверхностное сопротивление;

5. ρУД. СОПР - Удельное сопротивление;

Назначим весовые коэффициенты на показатели качества:

1. Адгезионная стойкость механической фольги к диэлектрику - учитывая ракетно-космическое применение блока (наличие больших ускорений и вибраций) назначаем на этот параметр наибольший коэффициент веса φ1 =0,3;

2. Диэлектрическая проницаемость - учитывая цифровой характер схемы, а следовательно и требования к минимальным задержкам сигналов назначаем на этот параметр наибольший коэффициент веса φ2 =0,3;

3. Теплостойкость - тепловой режим блока в нашем случае некритичен, рассеиваемые мощности невелики, поэтому назначаем на этот параметр коэффициент веса φ3=0,2;

4. Поверхностное сопротивление - применяемая ИМС 765КП1-1 относится к КМОП логике, поэтому допускается небольшое отклонение (порядка 5-10%) от напряжений и токов логического "0" и логической "1". Назначаем на этот параметр коэффициент веса φ4 =0,1;

5. Удельное сопротивление - так как этот параметр тоже характеризует токи утечки, так же назначаем на него коэффициент веса φ5 =0,1;

Из справочной литературы [7, 9] определим численные значения параметров для выбранных материалов. Численные значения показателей и значения весовых коэффициентов приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1.

№	Марка материала	FСДВ, H	Т, °С	εR	ρS, Ом х1013	ρУД. СОПР, Omּmּ10-11
1.	СФ2	43	85	6	2	1
2.	СОНФ2	45	85	6	1	1
3.	СТФ2	45	120	6	1	1
4.	ПФ2	60	250	4,5	0,1	0,1
	φi	0,3	0,2	0,3	0,1	0,1

("2") Приведем показатели качества к такому виду, чтобы при их уменьшении качество улучшалось, для этого величины FСДВ, Т, εR, ρУД. СОПР заменяем обратными. В таблице 5.2. даны значения приведенных показателей.

Таблица 5.2.

№	FСДВ –1,1/H	T, 1/°С	εR	ρS, Ом х1013	ρУД. СОПР-1, 1/( Om ּ mּ10-11)
1.	0,023	0,011	6	0,5	1
2.	0,022	0,011	6	1	1
3.	0,022	0,0083	6	1	1
4.	0,016	0,004	4,5	10	10
φi	0,3	0,2	0,3	0,1	0,1

("3") Нормированные показатели качества приведены в таблице 5.3.

Таблица 5.3.

№	FСДВ –1/ FСДВ. MAX –1	Т/TMAX,	εR/ εRMAX	ρS/ ρSMAX	ρУД. СОПР-1/ ρУД. СОПР. MAX-1
1.	1	1	1	0,05	0,1
2.	0,95	1	1	0,1	0,1
3.	0,95	0,75	1	0,1	0,1
4.	0,69	0,36	0,75	1	1
φi	0,3	0,2	0,3	0,1	0,1

("4") Величины комплексных показателей качества материалов печатных плат:

Q1=1ּ0.3+1ּ0.2+1ּ0.3+0.05ּ0.1+0.1ּ0.1=0.815

Q2=0.95ּ0.3+1ּ0.2+1ּ0.3+0.1ּ0.1+0.1ּ0.1=0.805

Q3=0.95ּ0.3+0.75ּ0.2+1ּ0.3+0.1ּ0.1+0.1ּ0.1=0.755

Q4=0.69ּ0.3+0.36ּ0.2+0.75ּ0.3+1ּ0.1+1ּ0.1=0.704

Так как выбрана тенденция повышения качества материала с уменьшением показателей, то наилучшему материалу будет соответствовать наименьший комплексный критерий качества. Из сравнения комплексных оценок материалов следует, что предпочтение должно быть отдано полиимиду фольгированному ПФ2 ТУ16-503.208-81;

5.2.2. Выбор материала корпуса блока.

Корпус блока (в соответствии с разделом "Анализ ТЗ") необходимо изготавливать из алюминиевых сплавов. Учитывая условия эксплуатации, желательно применять сплавы с наименьшим удельным весом (плотностью), относительно недорогие и широко распространенные. В связи с небольшой серийностью (меньше 100 штук в год), изготовление корпуса высокопроизводительным методом литья под давлением в кокиль нецелесообразно, поскольку стоимость оснастки в расчете на один корпус слишком велика. Поэтому применение литевых сплавов, в качестве материала корпуса, невозможно. Изготовление корпуса методом фрезерования из сплавов типа Д16 приводит к неоправданно высокому расходу материала. Наиболее оптимальным в данном случае является метод изготовления корпуса путем пайки или сварки из отдельных составных частей. Поэтому, желательно применить сплавы, которые могут хорошо обрабатываться механическим фрезерованием и гибкой. К таким сплавам относятся сплавы АМц1,5; АМц3; АМг3; АМг6.

Корпус блока предполагается выполнять гибкой с последующей пайкой специальным припоем для алюминиевых сплавов, поэтому, при выборе материала обязательно надо учитывать его технологические свойства. В данном случае, особенно важна пластичность при достаточной механической прочности. Наиболее пластичным материалом из перечисленных выше является сплав АМц1,5. Дно блока также припаивается к корпусу блока, поэтому, для его изготовления рекомендуется применять материал той же группы (сплавы типа Амц), что и для изготовления корпуса. Поскольку дно корпуса является фактически его основанием, на котором закрепляются ФЯ, выбираем в качестве материала дна корпуса сплав АМц3, имеющий меньшую пластичность, но большую жесткость.

5.2.3. Выбор герметика для герметизации корпуса.

Согласно разделу "Анализ ТЗ", выбор герметика должен осуществляться из условий его минимальной плотности, минимальных внутренних напряжений при полимеризации, а также с учетом удобства возможной разборки блока, для определения его причины отказа. Помимо этих требований, предъявляемых к герметику, необходимо, что бы герметик имел достаточно высокую механическую прочность и вибростойкость. Применение такого герметика позволяет смягчить вибрационный режим блока, за счет уменьшения амплитуд колебаний ФЯ. В ракетно-космической аппаратуре такого класса, как разрабатываемый блок, наибольшее распространение получили герметики на основе пенопластов: ППУ-305А (плотность 50-150 кг/м3, давление при вспенивании 4 кг/см2), ПЭ-9 (плотность 100-180 кг/м3, давление при вспенивании 1,5 кг/см2), ЭТ (плотность 150-400 кг/м3, давление при вспенивании 3 кг/см2). Из сравнения пенопластов, видно, что минимальным давлением при вспенивании (этот параметр более важен, чем плотность пенопласта, так как конструкция разрабатываемого блока книжная, и межъячеечные коммутации, которые выполняются, как правило, ленточными кабелями, могут быть нарушены при вспенивании) при приемлемой плотности 100-180 кг/м3 (которая обеспечивает высокую механическую прочность), обладает пенопласт ПЭ-9 (ТУ3-76), изготовленный на основе пеноэпоксидных смол [10].

5.2.4. Выбор компаунда для защиты МСБ.

Для защиты проводников, навесных элементов и монтажа МСБ от механических повреждений, вызываемых повышенным давлением заливочного пенопласта при вспенивании рекомендуются применять эластичные компаунды. Наиболее распространенными для этих целей являются компаунды ЭК-34, ЭК-35, ЭЗК, Эластосил 137-180, виксинты У-1-18, К-18, У-2-28. Основным требованием, помимо адгезии, прочности и эластичности, является отсутствие в их составе серосодержащих соединений. Это требование обусловлено применением в МСБ радиокомпонентов, содержащих серебро. Компаунды ЭК-34, ЭК-35, ЭЗК этому требованию не удовлетворяют. Виксинты У-1-18, К-18, У-2-28 не обладают достаточной адгезионной способностью к материалу подложки. Наиболее приемлемым материалом в нашем случае является "Эластосил 137-180" [6]. Применение эластосила в качестве компаунда для защиты МСБ, позволяет осуществлять визуальный контроль целостности монтажа после заливки компаунда.

5.2.5. Выбор краски для покрытия блока.

Согласно требованию п. 5.8. ТЗ, блок необходимо покрыть токопроводящей краской. Для соблюдения однообразной гаммы с другими блоками используем краску серого цвета. Согласно разделу "Анализ ТЗ", рекомендуемая марка краски - токопроводящая эмаль ХС-28(2)(ею покрыты соседние блоки). Ее нанесение в два слоя обеспечивает надежный электрический контакт между корпусом блока и рамой, в том числе и после нескольких операций монтажа и демонтажа блока. Так как, верхней крышкой блока является пенопласт ПЭ-9, то перед нанесением на него краски его необходимо покрыть шпатлевкой, для лучшей адгезии защитной токопроводящей краски к пенопласту.

5.2.6.Выбор материала шпатлевки.

Для обеспечения адгезии токопроводящей краски к пенопласту, его необходимо покрыть шпатлевкой. Для покрытия узлов и блоков радиоэлектронной аппаратуры перед окрашиванием обычно используются следующие типы шпатлевок: ПФ-002, ЭП-0010, ЭП-0020, НЦ-008. В нашем случае, шпатлевки ПФ-002 и НЦ-008 предназначенные для покрытия металлических и деревянных деталей, не применимы, так как технология их нанесения предусматривает применение растворителей, способных вызвать повреждение заливочного пенопласта. Шпатлевка ЭП-0020 по сравнению с ЭП-0010 обладает лучшей адгезией к металлу и пенопласту. Выбираем шпатлевка ЭП-0020 (ГОСТ ).

5.2.7. Выбор лака для покрытия ФЯ.

Для защиты функциональных ячеек от влаги, их необходимо покрыть лаком. Для этих целей применяются лаки АК-593, ФП-525, КО-916К, УР-231, УР-231Л, ЭП-730. Для покрытия печатных плат и ФЯ, работающих в условиях повышенной влажности и температур, УР-231 (ГОСТ), обладающий высокой электрической прочностью (не менее 60 кВ/мм) и температурой эксплуатации от -60°С до +120°С.

("5") 5.3. Синтез конструкции блока.

Согласно требованию пункта 5.1. ТЗ габаритные размеры блока 120x120x40 мм. В разделе "Анализ ТЗ" была проведена наилучшая компоновка блока, в результате которой все элементы блока размещаются на трех ФЯ. Выбранная схема компоновки - книжная, без применения поворотной крепежной оси.

С точки зрения помехозащищенности функциональные ячейки целесообразно разместить в следующем порядке:

1 - я ФЯ - ближняя к верхней части блока.

2-я ФЯ - посередине между 1-й и 2-й ФЯ.

3-я ФЯ - ближняя к основанию корпуса.

Также такое размещение обеспечивает максимальный и эффективный отвод тепла с наиболее теплонагруженных функциональных ячеек. Между 1-й и 2-й ФЯ необходимо поместить экран из латуни, меди или другого материала для обеспечения надежной защиты логических схем от влияния помех и наводок со стороны вторичного источника питания, располагающегося на 1-й ФЯ. Для упрощения конструкции, экран желательно клеить клеем к коммутационной плате 2ФЯ.

В разделе "Анализ ТЗ" были получены ориентировочные площади 1-й и 2-й ФЯ: S2ФЯ=93 см2; S3ФЯ =60,8 см2.

Блок питания (модуль М3) и формирователь команд контроля команд прохождения команд управления (модуль М2) в настоящее время разработаны и размещены на одной ФЯ (1ФЯ) с габаритами 112x90x10 мм.

Для оптимальной реализации книжной схемы компоновки желательно изготавливать ФЯ с одинаковыми размерами. Оценим возможность изготовления 2-й и 3-й ФЯ с размерами 112x90 мм.

S1ФЯ =112ּ90=100,8 см2 .Тогда

S2ФЯ =93 см2 < S1ФЯ = 100,8 см2;

S3ФЯ =60,8см2< S1ФЯ =100,8 см2;

Как видно из сравнения площадей, возможно изготовление всех ФЯ с размером 112х90мм. Применение ФЯ с одинаковым размером позволяет упростить их сборку в пакет, а так же использовать минимум крепежа.

Оценим возможность размещения ФЯ по высоте. Высота корпуса блока по условиям ТЗ 40 мм, высота 1ФЯ 10 мм. Высота 2-й и 3-й ФЯ определяется максимальной высотой элемента ФЯ, установленного на них. На 2-й ФЯ размещены конденсаторы (h=2 мм.) и МСБ - два модуля М4 и один модуль M1 (учитывая предварительные расчеты, h=4 мм.). На 3-й ФЯ размещены два модуля М4 (h=4 мм).

Тогда, расчетная высота пакета ФЯ Н(мм) определяется как:

Н=h1ФЯ + h2ФЯ + h3ФЯ =10+4+4=16 мм. ≤ 40мм (ТЗ)

Условие выполняется, следовательно, пакет из трех ФЯ с габаритами 112x90x16 мм может быть размещен в корпусе блока с габаритами 120x120x40 мм. Более подробно, о расстояниях между ФЯ и способах закрепления ФЯ в блоке будет изложено в разделе 4.6. "Описание конструкции блока".

5.4. Разработка конструкции МСБ.

5.4.1. Анализ электрической принципиальной схемы МСБ.

("6") В разделе "Расчет коммутатора" была синтезирована схема электрическая принципиальная модуля М4. Описание работы схемы проводилось в разделе "Описание принципиальной схемы коммутатора". С точки зрения преобразования сигналов схема является аналоговой - она коммутирует аналоговые входы с аналоговыми выходами под управлением цифрового сигнала. Сама схема является цифровой - в ее состав входят 6 двойных четырех канальных мультиплексора.

В разделе "Расчет коммутатора" были определены допустимые значения задержек для МСБ, микросхем и проводников, соответственно, ТЗАД. МАКС. ДОП =1мкс, ТЗАД. ЭЛЕМ=300 нс, ТЗАД. ЛИН. ДОП.=700 нс и максимально допустимая длинна соседних параллельных проводников на подложке LДОП=6,89 см. Там же были определены номиналы резисторов и конденсатора. В разделе "Выбор элементной базы" была выбрана наилучшая серия бескорпусных ИМС - 765КП1-1.

Резисторы с номиналом 100 кОм±5% могут быть реализованы в МСБ, как в виде тонкопленочных резисторов, так и в виде навесных резисторов. Однако, реализация в виде навесных резисторов нежелательна. Помимо того, что при одинаковом номинале, размеры навесного резистора, как правило, больше, чем у пленочного, при применении навесных резисторов, уменьшается надежность МСБ, из-за увеличения количества паек. Учитывая этот факт, будем реализовывать резисторы R1...R9 в тонкопленочном исполнении.

В состав схемы модуля М4 входит конденсатор С с емкостью 0,1 мкФ, номинальным напряжением 25 В и точностью +80...-20%. Он служит для защиты схемы от помех по цепям питания. Повышению технологичности МСБ способствует применение в конструкции навесных конденсаторов, вместо тонкопленочных. Кроме того, реализация С в виде тонкопленочного конденсатора неприемлема, из-за его больших габаритов. Поэтому, оптимальным в нашем случае является применение навесного конденсатора. Самыми малогабаритными и перспективными для ГИС и МСБ являются конденсаторы К10-9 и К10-17. Они выпускаются двух типов: с ТКЕ нормированным группы П-33, М-47, М-750, М-1500) и ненормированнам (Н-30, Н-90). В нашем случае применение конденсаторов К10-9 невозможно, так как их номинальное напряжение 15 В. Заданную точность конденсатора (+80...-20%) можно обеспечить, применяя конденсаторы с ненормированным ТКЕ (группа Н90). Учитывая условия эксплуатации (низкочастотные вибрации до 5g и линейные перегрузки до 15g) использование конденсаторов с гибкими выводами нецелесообразно. Для повышения надежности МСБ применим конденсаторы с лужеными выводами, которые позволяют осуществить присоединение непосредственно к контактным площадкам МСБ с помощью пайки. Конденсаторы К10-17 выпускаются двух типов: конденсаторы К10-17-1В (номинальное напряжение для всех групп 50 В, для группы Н9В) и конденсаторы К10-17-2В (номинальное напряжение для всех групп 25 В). Номинальная емкость 0,1 мкФ с группой по ТКЕ Н90 реализуется только в конденсаторах К10-17-1В. Таким образом, применяем в качестве С конденсатор К10-17-1В-Н90-0,1 мкФ-5 (5-й типоразмер) [5].

В таблице 4.4. даны габаритные размеры компонентов МСБ (конденсатор К10-17-1В и ИМС 765КП1-1), указана их масса, предельные условия эксплуатации, интенсивности отказов.

Проанализируем требования к взаимному расположению элементов и компонентов МСБ. Схема содержит 6 бескорпусных ИМС 765КП1-1 D1..D6, 9 тонкопленочных резисторов R1...R9, навесной конденсатор С. Учитывая большое количество межэлементных соединений в схеме МСБ, обеспечение регулярной структуры размещения бескорпусных ИМС, традиционной для цифровых схем, труднореализуемо. При размещении элементов необходимо, по возможности, располагать микросхемы D1..D6 как можно дальше от конденсатора С, который служит фильтром по питанию. Учитывая цифровой характер схемы необходимо минимизировать задержки, возникающие в проводниках МСБ. Для этого необходимо, по возможности, применять для коммутации проводники с минимальными длинами, минимизировать число пересечений проводников. С целью увеличения помехоустойчивости схемы при прокладке проводников следует избегать их параллельности. Так как данная схема не является высокочастотной (частота переключений F=100кГц), то допустимо применять подложки с ε=8..9. Для коммутации МСБ с другими модулями и узлами в конструкции МСБ необходимо предусмотреть периферийные (внешние) контактные площадки.

5.4.2. Выбор конструктивно-технологического варианта изготовления МСБ.

Тонкопленочные элементы МСБ выполняют на основе проводящих, полупроводниковых и диэлектрических пленок. Процесс нанесения тонкопленочного элемента должен удовлетворять следующим условиям:

- исходный материал должен наносится на подложку диспергированным до атомарного (молекулярного) состояния;

- содержание в рабочем пространстве посторонних веществ, способных реагировать с наносимым материалом, или абсорбироваться в нем, должно быть ничтожно малым;

Указанным требованиям практически в полной мере удовлетворяют два основных метода получения тонких пленок: термического испарения вещества в вакууме и ионное распыление вещества (мишени) в вакууме или в плазме.

Для нанесения резистивных слоев обычно используют два этих метода, однако, учитывая 5% точность резистора и предполагаемый резистивный материал - кермет К50С будем использовать метод ионно-плазменного распыления мишени из кермета. К достоинствам этого метода можно отнести более равномерную структуры напыляемой пленки, сравнительно большую загрузку подложек в барабан установки. Метод термовакуумного испарения (с вибродозированием из бункера) в настоящее время мало распространен, а также требует предварительного прогрева камеры установки, откачивания до высокого вакуума для очистки камеры. В случаи метода ионно-плазменного распыления время ионной очистки значительно меньше. Использование метода ионно-распыления позволяет варьировать скоростью испарения (для обеспечения требуемого ТКС и, следовательно, обеспечения управляемости процессов старения). Учитывая это, будем использовать для нанесения резистивного слоя метод ионно-плазменного распыления.

Для нанесения проводящих слоев будем использовать метод термо-вакуумного испарения из тиглей, т. к. в этом случае не требуется большая точность.

Существующие установки вакуумного напыления позволяют наносить резистивные и проводящие материалы как методом ионно-плазменного распыления, так и методов термовакуумного испарения. Т. е. фактически можно формировать резистивные и проводящие слои в одной установке. Для этих целей оптимально применять установку УВН-75П1.

Структура проводящих элементов выбирается с учетом метода контактирования компонентов, который зависит от их конструкции (материал и форма выводов, пайка или сварка), плотности коммуникационных проводников и ограничений по применению драгоценных металлов. Для обеспечения контактирования сваркой можно использовать двухслойные структуры на основе пленок меди с защитным покрытием никеля или золота.

Паянные соединения обеспечиваются двухслойными структурами на основе пленок золота и трехслойными структурами на основе пленок меди с защитным покрытием золотом или низкотемпературными сплавами. В нашем случае, для контактирования компонентов применяется и сварка (микросхемы D1...D6) и пайка (конденсатор С). Применение золота в конструкции МСБ нежелательно из-за его склонности к электромиграции, высокой стоимости (применение золота в установках УВН-75П1 нецелесообразно из-за его большого расхода). Поэтому, в нашем случае, оптимально применять трехслойную проводящую структуру: хром, медь, сплав олово-висмут. Сведем данные по этим слоям в таблицу 5.4.

Таблица 5.4.

Назначение слоя	Материал слоя, марка	Электрические характеристики	Толщина, мкм	Метод нанесения
адгезионный слой	Хром ЭРХ		0,03	Вакуумное напыление
слой проводников	Медь	ρ<0.05 Ом/□	3	Вакуумное напыление
защитный слой	Покрытие О-Ви 8		6…8	Гальваническое осаждение

("7") Сложность топологии обуславливает наличие пересечений между проводниками, выполненными при помощи перемычек. Поэтому, целесообразно для защиты проводников от короткого замыкания наносить на подложку с сформированными проводниками сплошным слоем защитное покрытие, с последующим вскрытием окон в местах контактирования. В качестве защитного слоя оптимально использовать фоторезист ФН-11.

Основное внимание в данном подразделе следует уделить выбору метода получения конфигурации тонкопленочных элементов. Для формирования конфигурации элементов применяют свободные маски в сочетании с процессами фотолитографии (одинарная фотолитография) или процессы селективного травления по многослойным структурам (двойная и тройная фотолитография). Применение одинарной фотолитографии в нашем случае нежелательно. При использовании одинарной фотолитографии в технологический процесс необходимо вводить два цикла откачки атмосферы из установки УВН-75П1 (1-й цикл, чтобы сначала напылить резистивный слой, 2-й цикл, для того, чтобы напылить слой проводников), что значительно увеличивает трудоемкость процесса, а также загрязняет напыленные материалы. Применение метода двойной фотолитографии позволяет обойтись одним циклом откачки атмосферы из установки(так как при двойной фотолитографии последовательно напыляются резистивный слой и слой проводников), что позволяет существенно повысить чистоту напыленных пленок и уменьшить трудоемкость процесса напыления. Выбираем метод двойной фотолитографии.

Стоит отметить, что хотя двойная фотолитография позволяет изготавливать контактные площадки под тонкопленочные резисторы без необходимого перекрытия (т. к. при двойной фотолитографии обеспечивается автоматическое совмещение резистивного и проводящего слоев), однако использовать это преимущество в нашем случае невыгодно по трем причинам. Во-первых, плотность топологии позволяет изготавливать контактные площадки для резисторов с припуском. Во-вторых, использование контактных площадок с припуском позволяет уйти от проблемы распределения пучностей токов в переходе контактная площадка-резистор (что сильно проявляется при изготовлении контактных площадок без припуска). И в-третьих, контактные площадки с припуском позволяют обеспечить эффективный доступ зонда для контроля резисторов за счет своих увеличенных размеров. Учитывая это, будем изготавливать контактные площадки под резисторы с припуском (так же, как и для метода одинарной фотолитографии).

5.4.3. Расчет геометрических размеров тонкопленочного резистора.

Исходные данные для расчета

RH=100ּ103 Ом - номинальное сопротивление резистора;

- относительная погрешность изготовления резистора;

PРАС=10-2 - мощность, рассеиваемая резистором;

1) Выбор резистивного материала.

Наиболее широкое применение в микроэлектронике нашли такие материалы, как нихром, кермет и металлосилицидные сплавы (Cr + Si), легированные небольшими добавками железа, никеля, кобальта, вольфрама. Применение пленок нихрома в нашем случае нежелательно: низкое удельное сопротивление (порядка 300 Ом/□), значительное растравливание поверхности подложки (т. к. при использовании фотолитографии для формирования конфигурации элементов требуются сильные травители) Кроме того, в связи с влагопоглощением нихромные пленки требуют защиты. Применение пленок из металло-силицидных сплавов (сплавы PC), позволяет реализовать сравнительно малогабаритные резисторы (удельное сопротивление порядка (3...20)ּ103Ом/□). Однако, при больших удельных сопротивлениях, требующихся для миниатюрной реализации резисторов, сплавы PC (например PC-1004, PC-2005, PC-2310) обладают значительным ТКС (порядка (120...150)ּ103 1/К в интервале температур от -60...+125°С), что мало приемлемо в нашем случае. Учитывая особенности КМОП ИМС, условия эксплуатации в нашем случае допустимым будет являться ТКС порядка ±5 • 10-4 1/К. Оптимальным, с точки зрения компромисса между малым ТКС и большим удельным сопротивлением, достаточным для реализации малогабаритного пленочного резистора, является применение резистивных пленок из керметов. Стоит отметить, что учитывая штучность производства блока КМ1 (до 100 штук), использование в технологическом цикле термо-регулирующего отжига, для увеличения воспроизводимости резистивных пленок из кермета экономически нецелесообразно. При терморегулирующем отжиге на подложку с тонкопленочными элементами воздействуют повышенные температуры (Т>300°С), что накладывает ограничения на выбор материала контактных площадок и коммуникации (в случае терморегулирующего отжига контактные площадки должны изготавливаться из золота). Введение дополнительной операции терморегулирующего отжига в технологический процесс увеличивает трудоемкость производства МСБ.

Учитывая проведенный анализ, выбираем в качестве материала тонкопленочного резистора кермет К50-С (ЕГО.021.013 ТУ) [11,12,13].

Для кермета К50-С основными параметрами являются:

- ρ□=10 000 Ом/□ - удельное сопротивление квадрата резистивной пленки;

- Р0 =2,5 Вт/см2 - допустимая мощность рассеяния;

- =2%- относительная погрешность сопротивления квадрата резистивной пленки;

- αR =(-5...3)ּ10-4 1/°С - температурный коэффициент сопротивления;

- =1% - относительная погрешность резистора, обусловленная старением материала пленки;

- =0,5% - относительная погрешность сопротивления контактного перехода "кермет-хром";

2) Рассчитаем коэффициента формы.

("8") По известным значениям номинала сопротивления резистора RH и сопротивлению квадрата резистивной пленки ρ□ определяем коэффициент формы:

КФ=RН/ ρ□ =Ом /Ом/□ =10

Неравенство 1<КФ<10 выполняется, следовательно, изготавливаем резистор прямоугольной формы.

3) Рассчитаем минимальную ширину резистора bMIN. ТОЧН. из требований к его точности.

где - абсолютная погрешность длины резистора;

- абсолютная погрешность ширины резистора;

- допустимая относительная погрешность коэффициента формы;

где - относительная температурная погрешность резистора;

где - максимальная температура эксплуатации МСБ. = +50 С ° (п. 5.7. ТЗ);

Для кермета К-50С с ρ□=10000 Ом/□, ТКС в интервале температур от -60°С до +125°С будет иметь значение =5ּ10-4 1/ 0С [14].

Тогда %

%

Абсолютные погрешности, зависят от метода изготовления резистора. В нашем случае выбран фотолитографический метод - для него ==5 мкм. [11].

4) Рассчитаем минимальную ширину резистора с учетом рассеиваемой на нем мощности.

5) Определим расчетное значение ширины резистора:

("9")

где - минимальная ширина резистора, определяемая технологией его изготовления. Для фотолитографического метода изготовления =100 мкм [11].

6) Определим расчетное значение длины резистора l:

7) Определим ширину контактных площадок для резисторов R1..R9:

, где - необходимое перекрытие резистивного и проводящего слоев. Обычно принимают =200 mkm, где - припуск на совмещение слоев МСБ [11].

Для обеспечения эффективного доступа зонда для контроля номиналов резисторов выбираем контактные площадки с размером 0,6 х 0,6 мм.

Округление размеров b и l до величины кратной шагу координатной сетки не требуется (шаг координатной сетки 10 мкм, масштаб топологического чертежа 20:1)

8) Определяем площадь тонкопленочного резистора S:

9) Рассчитаем величину рассеиваемой резистором удельной мощности:

10) Проверим результаты расчета.

Расчет выполнен правильно, если одновременно выполняются все следующие условия:

а) ≤;

2,5 Вт/см2 ≤ 2,5 Вт/см2;

Условие выполняется.

("10") б) ≤

%≤3%;

Условие выполняется.

в) ≤

% ≤ 5%

Условие выполняется.

Все условия выполняются, следовательно, расчет резистора выполнен правильно.

5.4.4. Составление коммутационной схемы и выбор подложки.

Коммутационная схема представляет собой графическое изображение электрического соединения элементов и компонентов МСБ. В отличие от схемы электрической принципиальной на коммутационной схеме внешние электрические цепи МСБ и компоненты (микросхемы D1..D6 и конденсатор С) заменяются контактными площадками. Составление коммутационной схемы предшествует разработке топологического чертежа МСБ, поскольку коммутационная схема содержит информацию о количестве контактных площадок, о расположении внешних контактных площадок, о рациональном взаимном расположении элементов и компонентов МСБ.

Для минимизации пересечений необходимо варьировать длинной выводов микросхем D1...D6. Расположение микросхем D1...D6 в таком порядке и с такой ориентацией также позволяет минимизировать число пересечений. Расположение конденсатора С позволяет уменьшить паразитные помехи на микросхемы D1 ...D6.

Для определения типоразмера подложки необходимо вычислить ее площадь:

где - коэффициент дезинтеграции площади подложки.

- суммарная площадь тонкопленочных резисторов:

- суммарная площадь бескорпусных микросхем;

- площадь навесного конденсатора;

- суммарная площадь контактных площадок;

При выборе коэффициента дезинтеграции необходимо учитывать, что расчет площади подложки не позволяет в полной мере учесть площадь краевых полей, так как для этого необходимо знать длину или ширину подложки. Частично, площадь поля периферийных контактных площадок, можно учесть при вычислении суммарной площади задействованных периферийных контактных площадок. Поэтому, для достижения большей точности в расчете площади подложки, необходимо применять больший коэффициент дезинтеграции. Выбор краевых полей МСБ проведем в пункте "Разработка топологического чертежа МСБ". Учитывая вышеперечисленное, а, кроме того, сложность топологии, выбираем =3,5 [1];

,

где - площадь периферийных контактных площадок;

("11") - площадь внутренних контактных площадок.

Выберем размеры контактных площадок. Размеры внутренних контактных площадок определяются видом монтажного соединения, конструкцией выводов навесного компонента, типом применяемого монтажного инструмента. В нашем случае, выводы большинства компонентов (микросхемы D1...D6) гибкие проволочные (золотые). Для эффективного соединения золотых гибких выводов с контактными площадками на предприятии традиционно применяется термокомпрессионная сварка. Применение пайки в данном случае нежелательно из-за малой надежности соединения, что недопустимо в ракетной технике. Конденсатор С (К10-17-1В с лужеными выводами) соединяется с контактными площадками при помощи пайки. Необходимо отметить, что конденсатор устанавливается на подложку в первую очередь - при его пайке в подложку отдается большое количества тепла (припой ПОСК50-18 с Т=145°С ), которое может вывести из строя микросхемы D1...D6. Монтаж осуществляется вакуумным пинцетом, что позволяет применять контактные площадки с размерами 0,2х0,2 мм.

При сварке гибких выводов средние размеры контактных площадок 0,2х0,3 мм, при пайке 0,3х0,4 мм [12]. Для обеспечения удобства монтажа, а также учитывая установочные размеры конденсатора С и растекание припоя при пайке выбираем для него две контактные площадки с размером 4,6х0,9 мм. Остальные внутренние контактные площадки (для выводов микросхем D1...D6, а также для реализации пересечений) с точки зрения обеспечения удобства монтажа, а также, учитывая сложность топологии, выбираем с размером 0,3 х 0,3 мм. С целью упрощения расчета площади подложки, в расчете не будем учитывать дополнительные контактные площадки для создания пересечений между проводниками.

Для коммутации МСБ с внешними цепями используются периферийные контактные площадки. Обычно применяются периферийные контактные площадки с размером 1х0,4 мм (с шагом 1,25 мм), а так же увеличенные контактные площадки (для удобства монтажа каждую 10-ю контактную площадку выделяют путем увеличения ее размера на 0,2-0,35 мм в сторону технологического поля платы) с размером 1х0,75 мм [12]. С целью упрощения расчета площади подложки, в расчете не будем учитывать увеличенные, ключевые, а также незадействованные контактные площадки. Суммарная площадь внутренних контактных площадок определяется как:

где - суммарные площади контактных площадок соответственно под резисторы, микросхемы, конденсаторы.

где - количество резисторов, микросхем, конденсаторов соответственно,

- количество выводов резисторов, микросхем, конденсаторов,

- площади контактных площадок резисторов, микросхем, конденсаторов.

Суммарная площадь периферийных контактных площадок определяется

где. - количество периферийных контактных площадок, определенное по комутационной схеме,

. - площадь периферийных контактных площадок.

Тогда, суммарная площадь контактных площадок :

Определим площади, занимаемыми элементами МСБ:

("12")

Определим площади, занимаемые компонентами МСБ:

Определим площадь подложки S:

По найденной площади подложки выбираем типоразмер с площадью S > SП. [11].

Наиболее близкими, к полученной площади подложки являются подложки со следующими типоразмерами:

6-й типоразмер, 20 х 24 мм, S =480 мм2 > SП=435,89 mm2;

5-й типоразмер, 24 х 30 мм, S =720 мм2 > SП=435,89 mm 2;

4-й типоразмер, 30 х 48 мм, S =1440 мм2 > SП=435,89 mm 2;

18-й типоразмер, 15x48 мм, S=720мм2 > SП=435,89 мм2;

Применение подложек с 6-м и с 18-м типоразмерами нежелательно, так как в этом случае топология получается "вытянутой", и появляется большое количество параллельных проводников. В этом случае, для реализации коммутационной схемы потребуется большее число межпроводниковых пересечений, чем в случае равномерно расположенной топологии. Кроме того, применение подложки с 6-м типоразмером не позволяет обеспечить в нашем случае достаточную величину технологической зоны, необходимую для операций изготовления, сборки, подгонки МСБ. Применение подложки с 4-м типоразмером резко ухудшает коэффициент дезинтеграции, который является показателем качества разработанной МСБ.

Современные типовые технологические процессы и технологическое оборудование позволяют получить оптимальный процент выхода годных при применении подложек с размерами 24Х30мм (5-й типоразмер). Учитывая этот анализ, выбираем подложку с размерами 24x30 мм.

Выберем материал подложки. Выбор материала подложки производится с учетом быстродействия схемы МСБ, ее частотных и тепловых характеристик, а также с учетом технологии изготовления и условий эксплуатации. В нашем случае, к схеме не предъявляются повышенные требования по быстродействию, рабочие частоты схемы лежат в пределах 100 кГц (т. е. относительно низкочастотная), поэтому допустимо применять материалы подложки с ε=8..9. Рассеиваемые мощности элементов и компонентов МСБ относительно невелики (резисторы R1...R9 с мощностью рассеивания 2,25 мВт, микросхемы D1...D6 с мощностью рассеивания 150 мкВт КМОП серии), поэтому к коэффициенту теплопроводности материала подложки не предъявляется повышенных требований. Для обеспечения нормального теплового режима МСБ, достаточно применить материал подложки с коэффициентом теплопроводности лежащим в диапазоне 1,0...1,5 Вт/(мּК). С точки зрения обеспечения точности и стабильности параметров напыляемых резисторов, желательно применять материалы подложки по возможности с большим классом чистоты обработки поверхности (14 класс). Для обеспечения технологического процесса, связанного с операцией термостабилизирующего отжига, желательна стойкость материала подложки к термоударам. Учитывая условия эксплуатации МСБ (вибрации и линейные перегрузки), а также то, что МСБ расположена на ФЯ, которая обеспечивает требуемую механическую прочность, к материалу подложки не предъявляют повышенных требований к механической прочности.

Учитывая вышеприведенный анализ, наиболее приемлемыми материалами подложек в нашем случае являются ситаллы СТ-50-1, СТ-32-1, СТ-38-1. Лучшими параметрами, по сравнению со всеми остальными, обладает ситалл СТ-50-1 (ε=8..9, коэффициент теплопроводности 1,5 Вт/(мּК), механическая прочность при изгибе 176,6Н/м2). Выбираем в качестве материала подложки ситалл СТ-50-1(НХТ0.027.078) [5]. Выбираем толщину ситалловой подложки 0,6±0,05 мм. [5].

рис.5.5.Расположение переферийных контактных площадок и краевого поля.

5.4.5. Разработка топологического чертежа МСБ.

При разработке топологии необходимо учесть рис5.5, краевое поле Δполя и зону размещения периферийных контактных площадок ΔплощМСБ

("13") Учитывая размеры увеличенных контактных площадок. выбираем ΔПЛОЩ=0,75 мм. Величина краевого поля ΔПОЛЯ обычно выбирается из технологических соображений. Она зависит от типа оборудования, применяемого при изготовлении и сборке МСБ, рекомендуемое значение ΔПОЛЯ =0,5 мм [15].

Для ориентировки подложки при сборке используется ключевая контактная площадка (1 - я), с вырезом в виде угольника.

Для проведения технологической операции скрайбирования подложки по ее углам размещены реперные знаки, выполненные в виде угольников. Кермет К50-С традиционно для реперных знаков.

Периферийные контактные площадки расположены с шагом 1,25 мм. Выбор шага 1,25 мм обусловлен установкой МСБ на печатную плату ФЯ коммутаторов (как в корпусном, так и в безкорпусном варианта).

Выберем ширину проводников МСБ. Минимальная ширина пленочных проводников для метода фотолитографии 0,05 мм [15]. Учитывая сравнительно большой используемый коэффициент дезинтеграции (qS=3,5) возможно применение проводников с достаточно большой шириной (100-250 мкм). С точки зрения технологичности, применение таких проводников позволит получить оптимальный процент выхода годных. Учитывая это, будем использовать в МСБ проводники с шириной 250 мкм. Так как токи в сигнальных цепях и цепях питания приблизительно одного порядка и сравнительно малы, то сигнальные проводники и цепи питания будем изготавливать одной ширины - 250 мкм.

5.4.6. Оценка качества разработанной топологии МСБ.

Топологический чертеж МСБ приведен на плакате, а топология проводящего слоя приведена на плакате.

Как видно из чертежа, наиболее протяженный участок двух параллельно расположенных соседних проводников имеет длину 2,6 мм. Исходя из оценочных расчетов, максимально допустимая длинна соседних параллельных проводников на подложке LДОП= 6,89 см. Как видно из сравнения длин, разработанная топология имеет значительный запас по помехоустойчивости.

Оценим задержку, возникающую в проводнике максимальной длины. Из топологического чертежа определим проводник максимальной длины LMAX. ПРОВ.=4,2 мм. Определим удельную задержку , возникающую в проводнике:

,

где =3,3 нс/м - удельная задержка в вакууме;

=5,75 (диэлектрическая проницаемость среды взята из раздела "Расчет коммутатора"), тогда

Определяем расчетную задержка :

При расчете задержек (раздел "Расчет коммутатора") была получена максимально допустимая задержка в линии связи TЗАД. ЛИН. ДОП =700 нс. Из сравнения TЗАД. ЛИН. ДОП. и видно, что в разработанной топологии не возникает существенных задержек, которые могут повлиять на работу блока и телеметрической системы.

Суммарная задержка в МСБ определяется как сумма времени задержки, возникающая в линии связи =3,32 нс и времени задержки, возникаем в ИМС 765 TЗАД. ЭЛЕМ. =300 нс.

TЗАД. МСБ.=TЗАД. ЭЛЕМ.+ =300+3,32=303,32нс < TЗАД. ТЗ. М4.=1мкс

Как видно из чертежа, для реализации электрической схемы модуля М4 потребовалось 5 пересечений с использованием проволочных проводников (золото 999,9 пробы, d=0,03 мм). При этом изоляция проволочных проводников и напыленного проводящего слоя не требуется, так как напыленный слой проводников покрыт защитным слоем (ФН-11). В защитном слое вскрыты окна под контактные площадки, к которым привариваются проводники, а также под контрольные контактные площадки, необходимые для контроля номиналов тонкопленочных резисторов. Стоит отметить, что ориентация микросхем и конденсатора при сборке осуществляется без применения реперных точек на топологии проводящего слоя. Компоненты при установке ориентируются по окнам, выполненным в защитном слое. Согласно ОСТ107.460091.004-88 "Микросборки, технология сборки" максимально допустимая длина проволочного вывода (при диаметре 0,03 мм) до точки контактирования без дополнительного крепления 3 мм. В нашем случае, для закрепления таких выводов используется компаунд "Эластосил 137-180", которым заливается МСБ. Применение этого компаунда связано с защитой от механических напряжений, возникающих при полимеризации заливочного герметика. Подробнее об этом способе защиты будет сказано в разделе "Описание конструкции".

Определим конструктивные показатели качества разработанной топологии. К основным показателям качества конструкции МСБ относятся масса m, объем V, плотность упаковки элементов и коэффициент дезинтеграции.

Определим массу МСБ:

("14") mМСБ=mКОМ+mПОДЛ, где mКОМ -суммарная масса установленных компонентов на подложке;

mПОДЛ - масса подложки;

mКОМ = 6ּ mИМС + mС, где mИМС -масса ИМС 765КП1-1, mИМС =0,05 г;

mС - масса конденсатора К10-17-1B, mc=0,4 г ;

mКОМ = 6ּ mИМС + mС=6ּ0,05+0,4=0,7г.

Определим массу подложки:

mПОДЛ =а ּ b ּ h ּ ρСИТАЛ, где a, b, h - геометрические размеры МСБ;

ρСИТАЛ - плотность ситаловой подложки, ρСИТАЛ =2,65 ּ 10 3 кг/м3 [5];

mПОДЛ =а ּ b ּ h ּ ρСИТАЛ=24ּ30ּ0,6ּ10-9ּ2,65ּ103=1,144ּ10-3 кг=1,14г

Тогда масса МСБ mМСБ=mКОМ+mПОДЛ =0,7+1,14=1,84г

Необходимо отметить, что при установки МСБ в П-образное основание корпуса МСБ, установке планок с выводами и заливки МСБ компаундом ее масса возрастает на 4,96 г. Поэтому суммарная масса МСБ с учетом установки в корпус и заливки составит:

mМСБ∑= mМСБ+ mКОРП=1,84+4,96=6,8г

Определим объем МСБ:

V= SПОДЛ ּ НМАКС, где SПОДЛ - площадь подложки МСБ, SПОДЛ=720 мм2;

НМАКС - высота самого высокого компонента на подложке конденсатора К10-17-В, НМАКС=2мм;

V= SПОДЛ ּ НМАКС=720ּ2=1440мм3

Определим плотность упаковки на плоскости МСБ:

, где N - число элементов в схеме, N=16;

Определим коэффициенты дезинтеграции по площади qS и по массе qM :

("15") где - суммарная площадь элементов и компонентов МСБ;

Коэффициент дезинтеграции разработанной конструкции МСБ по площади qS =7,96, a коэффициент дезинтеграции, выбранный на этапе определения геометрических размеров подложки qS. РАСЧ=3,5. Коэффициент дезинтеграции qS=7,96 объясняется использованием многовыводных ИМС (у каждой ИМС 16 выводов, практически все выводы задействованы). Использование подложки с размерами 20x24 мм позволило бы уменьшить коэффициент дезинтеграции, однако при этом резко бы возросла плотность упаковки, что привело бы к увеличению паразитных связей между проводниками и как следствие - к увеличению времени задержки.

preview_end()