Теоретические основы конструирования, технологии и надежности (стр. 7 )

7. Лабораторный практикум по курсу « Проектирование и производство интегральных микросхем»/, . – Мн: БГУИР, 1998.

Утверждена

УМО вузов Республики Беларусь

по образованию в области информатики

и радиоэлектроники

« 03 » июня 2003 г.

Регистрационный ТД-39-061/тип

Учебная программа для высших учебных заведений

по специальностям 1Моделирование и компьютерное

проектирование радиоэлектронных средств,

IПроектирование и производство радиоэлектронных средств

Согласована с Учебно-методическим управлением БГУИР

« 28 » мая 2003 г.

Составитель:

, профессор кафедры электронной техники и технологии Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники», доктор технических наук

Рецензенты:

, заместитель директора Научно-исследовательского конструкторско-технологического предприятия «Белмикросистемы» Республиканского унитарного предприятия «Интеграл», профессор, доктор технических наук;

Кафедра конструирования и технологии радиоэлектронных средств Учреждения образования «Полоцкий государственный университет» (протокол от 01.01.2001 г.)

Рекомендована к утверждению в качестве типовой:

Кафедрой электронной техники и технологии Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники» (протокол от 01.01.2001 г.);

Научно-методическим советом по группе специальностей IКонструкции радиоэлектронных средств УМО вузов Республики Беларусь по образованию в области информатики и радиоэлектроники (протокол №1 от 01.01.2001 г.)

Разработана на основании Образовательного стандарта РД РБ 02100.5.105-98.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Типовая программа «Электрорадиоэлементы и устройства функциональной электроники» разработана в соответствии с Образовательным стандартом РД РБ 02100.5.105-98 для специальностей IМоделирование и компьютерное проектирование радиоэлектронных средств IПроектирование и производство радиоэлектронных средств высших учебных заведений.

Целью изучения дисциплины является обеспечение теоретической и практической подготовки студентов в вопросах выбора и проектирования элементной базы радиоэлектронных средств (РЭС). Полученные при изучении дисциплины знания необходимы для конструирования конкурентоспособных РЭС, имеющих оптимальные технико-экономические показатели качества.

Основные задачи изучения дисциплины состоят в следующем:

- ознакомиться с основными разновидностями, принципами работы и типичными электрическими параметрами важнейших составляющих элементной базы РЭС – электрорадиоэлементами и устройствами функциональной электроники (ЭРЭ и УФЭ). Третья составляющая элементной базы современных РЭС – интегральные микросхемы, в том числе БИС, в данной дисциплине подробно не изучаются, а рассматриваются лишь в сравнительном аспекте, необходимом при выборе элементной базы;

- изучить основные конструктивно-технологические особенности ЭРЭ и УФЭ, определяющие их электрические параметры;

- получить представление о применяемых подходах к проектированию и методах конструктивного расчета наиболее распространенных разновидностей элементной базы РЭС (электромагнитных трансформаторов и дросселей, устройств акустоэлектроники, оптоэлектроники, элементов устройств коммутации и др.), в том числе с использованием моделей.

В результате изучения дисциплины студент должен:

знать:

- конструктивные возможности различных типов ЭРЭ и УФЭ для достижения требуемых электрических параметров РЭС;

- основные особенности технологии ЭРЭ и УФЭ;

уметь:

- на основе анализа условий работы и функциональных возможностей ЭРЭ и УФЭ различных типов обоснованно осуществлять выбор стандартной элементной базы для РЭС заданного класса;

- выполнять конструктивный расчет основных разновидностей нестандартных ЭРЭ и УФЭ;

- выбирать типовые технологические процессы изготовления ЭРЭ и УФЭ с учетом возможностей оборудования и применяемых материалов.

Базовыми для изучения данной дисциплины являются «Физико-химические основы микроэлектроники и технологии», «Основы радиоэлектроники», «Материаловедение», «Теоретические основы конструирования, технологии и надежности», а также «Технология деталей и конструкционные материалы».

Усвоение данной дисциплины необходимо для дальнейшего изучения конструкторско-технологических дисциплин: «Проектирование и технология микросхем», «Технология РЭУ и автоматизация производства».

Программа рассчитана на объем 68 учебных часов. Примерное распределение учебных часов по видам занятий: лекций–34 часа, лабораторных работ–17 часов, практических занятий–17 часов.

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Введение

Понятие и классификация элементной базы РЭС; особенности интегральных микросхем (ИМС), дискретных ЭРЭ, УФЭ, сенсоров и актюаторов. Примеры функциональных преобразователей. Функциональная, конструктивная и технологическая интеграция элементов РЭС. Преимущества изделий интегральной электроники (ИМС и УФЭ).

Раздел 1.Эволюция элементной базы РЭС. Основные направления функциональной электроники

Поколения РЭС и эволюция элементной базы. Оценка показателей качества РЭС различных поколений. Комплексная микроминиатюризация РЭС, роль компоновки элементов и межэлементных соединений. Оптимальное использование ИМС, УФЭ и дискретных электрорадиоэлементов. Основные тенденции развития интегральной электроники. Общая характеристика основных направлений функциональной электроники (ФЭ), примеры устройств.

Раздел 2. Особенности проектирования ЭРЭ и УФЭ

с учётом требований САПР

Моделирование РЭС и её элементной базы - неотъемлемый атрибут компьютерного проектирования с применением САПР. Модель ЭРЭ и УФЭ как композиция рабочего элемента, элементов защиты от внешних воздействий, деталей крепления и соединения. Основные и паразитные параметры, их физическое обоснование, связь с конструк­цией и технологией. Примеры моделей: Эбберса-Молла биполярных транзисторов, твёрдотельных МОП структур и структур с биполярно-полевым эффектом, аналоговых ИМС, элементов с распределёнными параметрами.

Раздел 3. Конденсаторы, резисторы, катушки индуктивности, трансформаторы, LC-фильтры и линии задержки. Элементы и особенности технологии поверхностного монтажа

Тема 3.1. Резисторы

Условия использования дискретных ЭРЭ в современных РЭС. Резисторы, их классификация, модели (схемы замещения), параметры. Особенности конструкции постоянных резисторов. Маркировка. Резисторы со специальными свойствами: терморезисторы, низкоомные резисторы, варисторы, фоторезисторы и др. Переменные резисторы. Старение резисторов.

Тема 3.2. Конденсаторы

Классификация конденсаторов. Модели в различном интервале частот, параметры конденсаторов, их маркировка. Особенности конструкции, технологичность, масса, стоимость и другие технико-эксплуатационные показатели. Использование конденсаторов и резисторов в РЭС.

Тема 3.3. Катушки индуктивности, дроссели и трансформаторы

Катушки индуктивности. Обозначение, их основные параметры и ха­рактеристики. Основные элементы конструкции, их особенности в зависимости от рабочей частоты и внешних факторов. Виды и технология создания обмоток, применяемые провода. Паразитная (собственная) емкость катушек индуктивности. Экранирование катушек. Сердечники катушек индуктивности. Вариометры. Печатные катушки индуктивности. Дроссели: особенности конструкции и применение. Трансформаторы преобразователей напряжения, импульсные трансформаторы: особенности конструкции и применяемых материалов. Роль тепловых режимов; факторы, влияющие на на­дежность трансформаторов. Особенности расчета трансформаторов.

Тема 3.4. Пассивные LC-фильтры и активные RC-фильтры

Устройство, принцип действия и основные параметры LC-фильтров. Особенности конструк­ции и технологии. Выбор элементной базы для многоконтурных фильтров: роль L - и C-элементов в обеспечении точности, стабильности, надежности, приемлемой стоимости. Сглаживающие фильтры. Перспективы использования бескорпусных ЭРЭ в LC-фильтрах. Активные RC-фильтры: классификация, схемы построения и основы проектирования.

Тема 3.5. Элементы для поверхностного монтажа

Поверхностный монтаж как современная тенденция комплексной мик­роминиатюризации РЭС. Базовые типоконструкции элементов для поверхностного монтажа. Безвыводные (чиповые) резисторы, конденсаторы. Выбор корпусов, материалов, формы выводов с учётом расположения элементов на печатной плате и применения методов групповой пайки. Технологические аспекты поверхностного монтажа. Особенности применения ГАП и используемого оборудования для сборки и испытания.

Раздел 4. Устройства акустоэлектроники

Тема 4.1. Основные теоретические представления о фильтрации

и задержке сигналов применительно к устройствам

акустоэлектроники

Частотный коэффициент передачи и импульсная характеристика фильтров, их связь через преобразование Фурье. Интеграл свертки. Передаточные функции реактивных фильтров. Общая классификация фильтров. Принцип действия дискретного фильтра. Основные характеристики линий задержки.

Тема 4.2. Принципы построения и работы устройств акустоэлектроники

Физические основы акустоэлектроники. Типы акустических волн в твёрдом теле. Поверхностные акустические волны (ПАВ), их типы. Методы возбуждения ПАВ. Электродные преобразователи ПАВ: однофазные и двухфазные (встречно–штыревые преобразователи (ВШП)). Упрощенные эквивалентные схемы преобразователей ПАВ. Согласо­вание преобразователей с внешними цепями. Потери энергии в преобразователях ПАВ, однонаправленные преобразователи.

Тема 4.3. Фильтры на ПАВ

Особенности конструкции фильтров на ПАВ. Модели ВШП преобразователя, применяемые при анализе и расчете фильтров на ПАВ. Импульсная характеристика (ИХ) и амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) эквидистантного ВШП. ИХ и АЧХ полосового фильтра на ПАВ. Аподизация ВШП и расчёт полосового фильтра. Функции и методы аподизации преобразователей в фильтрах на ПАВ. Параметры и применение фильтров на ПАВ.

Тема 4.4. Линии задержки на ПАВ

Классификация линий задержки на ПАВ. Особенности и основные характеристики. Импульсная характеристика ПАВ ЛЗ. Элементы расчета ПАВ ЛЗ. Конструктивные варианты ЛЗ с однократной задержкой и многоотводных ЛЗ. Регулировка времени задержки. Дисперсионные ЛЗ, принцип действия, применение, конструктивные варианты.

Тема 4.5. Резонаторы на ПАВ и другие элементы акустоэлектроники

Резонаторы на ПАВ: устройство, характеристики ПАВ-резонаторов (погрешность центральной частоты, потери и др.), применение в РЭС. Функциональные (пьезоэлектрические) трансформаторы (на объёмных волнах и ПАВ), акустические разветвители, фазовращатели на ПАВ. Усиление ПАВ.

Тема 4.6. Выбор материалов и особенности технологии

устройств на ПАВ

Материалы, применяемые для изготовления звукопроводов устройств на ПАВ, и их основные характеристики. Основы технологии изготовления моно - и поликристаллических звукопроводов. Маршрутная технология фильтров на ПАВ на основе цирконат-титанат-свинец-керамики. Особенности создания электродных структур на поверхности звукопровода. Требования к корпусам устройств на ПАВ, основы технологии сборки.

Раздел 5. Коммутационные устройства и соединители

Тема 5.1. Теория и особенности работы разъемных

электрических контактов

Место и роль соединителей и устройств коммутации в РЭС. Основы теории электрических разъёмных контактов: поверхности контактных тел, переходное сопротивление (Rстяг, Rтун, Rдоп). Физические механизмы дрейфа заряда в разъёмных контактах. Нестабильность переходного сопротивления (статистическая и динамическая). Методика оценки переходного сопротивления для плоского и точечного контакта. Особенности эксплуатации контактов. Электрическая эрозия при размыкании и замыкании контактов. Схемы искрогашения. Механическая эрозия. Общий износ контактов при эксплуатации.

Тема 5.2. Основные типы конструкций

контактно-коммутационных устройств

Базовые типоконструкции контактно-коммутационных устройств, включающие неразъёмные, разъёмные, скользящие и разрывные контакты. Реле, герконы и другие электромеханические коммутационные элементы. Классификация и особенности конструктивного исполнения реле. Стандартизация типовых коммутационных устройств и соединителей. Применяемые материалы, процессы нанесения покрытий. Технологичность.

Раздел 6. Устройства на приборах с зарядовой связью (ПЗС)

Тема 6.1. Принципы построения и действия ПЗС

Принципы функционирования, основные характеристики и параметры ПЗС. Классификация ПЗС. Построение ПЗС. Методы ввода и детектирования заряда. Конструктивные варианты линеек ПЗС: однонаправленные, ПЗС с объемным каналом и др. Технологические особенности изго­товления ПЗС.

Тема 6.2. ПЗС в устройствах обработки сигналов, памяти и

приемниках изображения

Линии задержки на ПЗС. Дискретные фильтры на ПЗС: структура, методы взвешивания отсчётов, характеристики. ПЗС-корреляторы. Сравнение основных параметров устройств обработки сигналов на ПЗС и на ПАВ. Принципы работы и основные параметры линейных и матричных формирователей видеосигнала на ПЗС. Построение ПЗС ЗУ, принципы их проектирования и основные параметры.

Раздел 7. Элементы устройств памяти и логики

Тема 7.1. Классификация и основные свойства устройств памяти,

применяемых в РЭС

Роль устройств памяти в РЭС в связи с растущим использованием микропроцессоров. Используемые физические принципы. Классификация элементов памяти по функциональному назначению, в зависимости от метода доступа, особенностей записи, хранения и считывания. Основные характеристики устройств памяти: объем памяти, быстродействие, энергопотребление, стоимость, габариты, масса, и др. Элементы памяти на магнитных носителях – на ферритовых сердечниках, магнитных пленках. Основные методы создания магнитных пленок с необходи­мыми свойствами и контроля их параметров. Конструктивно-технологические пути повышения надежности и эффективности производства. Устойчивость элементов памяти различных типов к внешним воздействиям.

Тема 7.2. Элементы памяти на цилиндрических

магнитных доменах (ЦМД)

Образование и физическая сущность ЦМД. Методы возбуждения, продвижения и считывания ЦМД в устройствах памяти. Характеристики доменно-продвигающих структур. Конструктивно-технологические особенности и характеристики устройств памяти на ЦМД. Стабильность и надежность.

Тема 7.3. Элементы полупроводниковых ЗУ и логических устройств

Принцип работы элементов памяти на биполярных транзисторах. Раз­новидности ячеек памяти – ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ, И2Л. Характеристики и области применения. Оперативная память на МОП-транзисторах: функциональные особенности и разновидности ячеек – статические n-канальные МОП, КМОП и динамические. Характеристики и области применения. Параметры логических элементов в составе микропроцессоров. Постоянные ЗУ масочного типа и на твёрдотельных структурах металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структурах) – МНОП, МОП ПЗ, с пленками аморфных полупроводников. Обозначения интегральных устройств памяти и логических элементов.

Раздел 8. Элементы устройств оптоэлектроники

и устройств отображения информации

Тема 8.1. Основы оптоэлектроники и волоконно-оптической связи

Основные направления оптоэлектроники. Элементы оптоэлектронных систем. Линзовая и волоконная оптика. Световоды: устройство и основные разновидности. Характеристики волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Применяемые материалы и их влияние на основные характеристики световодов. Технология изготовления и сочленения волоконных световодов. Волоконно-оптические кабели.

Тема 8.2. Элементы оптоэлектронных систем обработки информации: излучатели и фотоприемники

Излучатели оптоэлектронных систем (ОЭС): требования, основные параметры. Материалы и основные типоконструкции светоизлучающих диодов (СИД). Принцип действия, основные характеристики фотоприемных элементов ОЭС. Разновидности фотоприемников: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы. Оптопары и оптроны. Оптоэлектронные функциональные элементы, интегральные схемы. Принципы работы и особенности применения оптических дисковых систем в качестве запоминающих устройств.

Тема 8.3. Элементы устройств отображения информации:

основные разновидности и характеристики

Классификация устройств отображения информации, в частности, ин­дикаторов; их характеристики и параметры. Конструктивно-технологические разновидности и основные характеристики индикаторов: на лампах накаливания, полупроводниковые, газоразрядные, катодолюминесцентные, электролюминесцентные индикаторы. Физические основы функционирования жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ), используемые физические эффекты. Технические и эксплуатационные свойства. Основные типоконструкции ЖКИ: буквенно-цифровые, аналоговые, мозаичные, ЗУ на основе ЖК. Конструкция и технология ЖКИ с динамическим рассеянием и на твист-эффекте. Технические и эксплуатационные свойства.

Раздел 9. Криотроны, хемотроны и другие УФЭ

Тема 9.1. Криотроны и другие устройства на основе сверхпроводимости

Сверхпроводники. Квантование магнитного потока. Джозефсоновские переходы. Криотроны и приборы на основе эффекта Джозефсона. Сверхпроводящий квантовый интерференционный детектор. Примеры схем. Применение новых материалов для устройств криогенной техники, высокотемпературная сверхпроводимость.

Тема 9.2. Хемотроны и другие функциональные элементы

Хемотроны, особенности конструкции и применение. Приборы на основе аморфных полупроводников, эффекта Ганна и др. Биоэлектроника. Перспективы развития элементной базы РЭС.

РЕКОМЕНДУЕМЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ

1.  Исследование характеристик линий задержки на основе LC-фильтров.

2.  Исследование характеристик пьезоэлектрических трансформаторов.

3.  Исследование фильтров и линий задержки на ПАВ.

4.  Исследование параметров контактных коммутационных устройств.

ЛИТЕРАТУРА

ОСНОВНАЯ

1.  , Зеленский функциональной электроники и электрорадиоэлементы: Учебник для вузов. - М.: Радио и связь, 1989.

2.  , , Горбунов . - М.: Высш. шк., 1987.

3.  Речицкий радиокомпоненты. - М.: Радио и связь, 1987.

4.  Свитенко . - М.: Высш. шк., 1987.

дополнительная

1.  Лаксон Дж. Интегральные схемы. Материалы, приборы, изготовление. - М.: Мир, 1985.

2.  Иванов металлические плёнки в микроэлектронике. - М.: Сов. радио, 1980.

3.  , , Кокин в оптоэлектронику. М.: Высш. шк., 1991.

4.  , , Персианов приборы для отображения информации. – М.: Радио и связь, 1985.

5.  , Технология поверхностного монтажа.

6.  Будущее технологии сборки в электронике. - М.: Мир, 1990.

7.  , , Шаталов токопроводящие системы СБИС. - Мн.: Выш. шк., 1989.

8.  Конструирование и технология микросхем. Курсовое проектирова­ние./ Под ред. . - М.: Высш. шк., 1984.

9.  Грязнов и дроссели в импульсных устройствах. - М.: Радио и связь, 1986.