Выбор и обоснование элементной базы мсб. Расчёт тонкопленочных элементов платы мсб

 

Расчёт тонкоплёночных резисторов

Найдём оптимальное значение сопротивления квадрата резистивной пленки

 

Расчёт резистора R1:

Номинальное сопротивление резистора ; пределы допустимого в условиях эксплуатации изменения сопротивления резистора относительно номинала при фотолитографическом методе изготовления ; рассеиваемая мощность , максимальная положительная температура по ТЗ , время наработки на резистора .

Выбираем резистивный материал (Л1, табл 2.1) – сплав Кермет К50-С, имеющий величину сопротивления на квадрат резистивной плёнки , удельную мощность рассеяния , температурный коэффициент сопротивления (ТКС) .

Коэффициент формы . Фотолитографией возможно изготовление резисторов с коэффициентом формы . Получившийся коэффициент формы очень мал, поэтому получается нецелесообразно использовать резисторы в тонкоплёночном исполнении. Аналогичные результаты были получены для резисторов R2, R3, R4, R9, R10. Данные резисторы заменим навесными SMD чипами в корпусе 0603.

Расчёт резистора R5:

Номинальное сопротивление резистора ; пределы допустимого в условиях эксплуатации изменения сопротивления резистора относительно номинала при фотолитографическом методе изготовления ; рассеиваемая мощность , максимальная положительная температура по ТЗ , время наработки на резистора .

Выбираем резистивный материал (Л1, табл 2.1) – сплав Кермет К50-С, имеющий величину сопротивления на квадрат резистивной плёнки , удельную мощность рассеяния , температурный коэффициент сопротивления (ТКС) .

Коэффициент формы . Фотолитографией возможно изготовление резисторов с коэффициентом формы . В случае селективного травления проводящего и резистивного слоёв, контактные площадки выполняются без припуска на совмещение слоёв (Л1, Рис.2.1.а).

Относительная погрешность сопротивления за счёт влияния температуры эксплуатации . Так как МСБ перегревается также за счёт «внутренних» тепловыделений увеличим  в 1,1 раза, получим . Относительная погрешность сопротивления за счёт старения . Относительная погрешность сопротивления за счёт переходного сопротивления между резистивным слоем и контактной площадкой принимается равной . Относительная погрешность обеспечения величины :

Погрешность коэффициента формы:

 

 

Ширина резистора , обеспечивающая получившееся :

 

где  - абсолютные производственные погрешности изготовления при фотолитографическом методе.

Определим минимально допустимое значение ширины резистора  с учётом обеспечения заданной мощности рассеяния:

 

 

Расчётное значение ширины резистора , при этом  - технологически реализуемая ширина резистора.

Определим фактические геометрические размеры резистора:

 

 

Площадь резистивной полоски

Определяется фактическая нагрузка резистора по мощности:

Удельная мощность

Нагрузка по мощности

Определим фактическую погрешность коэффициента формы:

 

 

Аналогичным образом ведётся расчёт оставшихся резисторов проектируемой МСБ. Результаты расчётов тонкоплёночных резисторов представлены в виде таблицы:

Таблица 1

Поз. обозначе-ние	Номинал, допуск, мощность	Материал	Ом/кв		%	%	мм	мм
R1,R2	100Ом±5%	Кермет	5000	0,02	1,5	1	Навесной
R3,R4,	51Ом±5%	Кермет	5000	0,01	1,5	1	Навесной
R9,R10	51Ом±5%	Кермет	5000	0,01	1,5	1	Навесной
R5,R6	3.6кОм±5%	Кермет	5000	0.72	-2,64	1	2,63	1,89	0,65	-
R7,R8	5.6кОм±5%	Кермет	5000	1,12	-2,64	1	3,77	4,22	0,49	-
R11,R12	1кОм±5%	Кермет	5000	0,2	-2,64	1	3,77	0,75	0,20	-

 

Резисторы R1,R2: чип резистор 0.063Вт 0603 5% 100 Ом (http://www.chipdip.ru/product0/41371.aspx)

Резисторы R3,R4,R9,R10: чип резистор 0.063Вт 0603 5% 51 Ом (http://www.chipdip.ru/product0/50777.aspx)

 

Рис.3 Корпус SMD резисторов в корпусе 0603: R1, R2, R3, R4, R9, R10.

 

Расчёт тонкоплёночных конденсаторов

Расчёт конденсатора С1

Номинальная ёмкость конденсатора , эксплуатационная погрешность ; рабочее напряжение на конденсаторе, напряжение на конденсаторе , максимальная положительная и отрицательная температуры по ТЗ , , время работы

Выбираем материал диэлектрика (Л1, табл. 2.3) – стекло электровакуумное С41-1 с удельной ёмкостью , электрическая прочность , диэлектрическая проницаемость  и температурным коэффициентом ёмкости .

Толщина диэлектрического слоя, обеспечивающая электрическую прочность конденсатора , а уровень удельной ёмкости .

Температурная составляющая погрешности:

 - её для надёжности можно увеличить в 1.2 раза ,

- увеличим в 1.2 раза .

Погрешность за счёт старения: , погрешность верхней обкладки конденсатора.

 

 

где  - относительная погрешность обеспечения . Примем .

Тогда

Удельная емкость, обусловленная конечной точностью изготовления размеров верхней обкладки ровна:

 

 

где  - коэффициент формы тонкопленочного конденсатора, применим ;

 - производственные погрешности изготовления длины и ширины конденсатора. При

 

 

Расчетное значение  необходимо выбрать из условия: . Принимаем

Фактическое значение толщины диэлектрического слоя

 

 

Проверим напряженность электрического поля в конденсаторе:

 

 

Определим геометрические размеры конденсатора.

Площадь верхней (активной) обкладки:

 

Длина и ширина

 

;

 

Размеры нижней обкладки:

где . Примем

Тогда

Размеры диэлектрического слоя:

 

 

Фактическое значение погрешности активной площади:

 

 

 

Аналогичным образом рассчитаем оставшиеся конденсаторы проектируемой МСБ. Результаты расчётов тонкоплёночных конденсаторов представлены в виде таблицы:

 

Таблица 2

Поз. Обозна-чение	Номинал, допуск, мощность	Материал
С1	10мкФ±20%	Стекло электро-вакуумное С41-1	50000	5	141.42	142.02	142.62	200	9.2
С2	0.1мкФ±20%	Стекло электро-вакуумное С41-1	50000	5	14.14	14.74	15.34	2	9.2
С3,С4	0.01мкФ±20%	Стекло электро-вакуумное С41-1	50000	5	4.47	5.07	5.67	0.2	9.2

 

Из методических указаний следует, что в тонкоплёночном варианте выполняются конденсаторы номиналами от 10пФ до 0.01мкФ. Отсюда следует, что конденсаторы применяемые в МСБ, невыгодно применять в тонкоплёночном исполнении, что и подтверждено расчётами, приведёнными в таблице.

Все конденсаторы МСБ будут навесными элементами SMD чипы. Выберем конденсатор С1 SMD в корпусе 1812, а конденсаторы С2, С3, С4 SMD в корпусе 0402 (http://lib.chipdip.ru/235/DOC000235066.pdf).

Конденсатор С1: Керамический ЧИП конденсатор 47мкФ X5R 10% 10В 1812 (http://www.chipdip.ru/product/grm43er61a476k.aspx)

Конденсатор С2: Керамический ЧИП конденсатор 0.1мкФ X7R 10%, 0402, 16В (http://www.chipdip.ru/product/grm155r71c104k.aspx)

Конденсатор С3 и С4: Керамический ЧИП конденсатор 0.01мкФ X7R 10%, 0402, 50В (http://www.chipdip.ru/product/grm155r71h103k.aspx)

 

Технические параметры SMD чип керамических конденсаторов

Разработка топологии МСБ

 

Коммутационную схему МСБ Р402.468759.008 Э4 получают преобразованием заданной принципиальной электрической схемы, в которой все дискретные компоненты, а также электрические соединения по входу – выходу заменяются соответствующими контактными площадками.

 

Рис.5 Коммутационная схема

 

Укрупнённые контактные площадки (1х1 мм) являются внешними, все остальные – внутренними (0.5х0.5 мм). Монтаж компонентов производится с помощью пайки. Данная коммутационная схема содержит 4 внешних и 30 внутренних контактных площадок.

Для выбора типоразмера подложки необходимо рассчитать суммарную площадь, занимаемую тонкопленочными резисторами , конденсаторами , и площадь навесных элементов .

 

Все конденсаторы навесные поэтому .

Находим площадь, занимаемую контактными площадками.

Внешние контактные площадки выполняем размером 1х1 мм. Монтаж навесных компонентов производим с помощью пайки.

Контактные площадки под пайку под транзисторы выполняем размером 0,6х0,3 мм, а под генератор 1,7х1,5 мм. Контактные площадки под навесные резисторы SMD 0603 выполняем размерами 1х0,4 мм, а под навесные SMD конденсаторы 0402 – 0,6х0,3 мм, под навесной SMD конденсатор 1812 – 1х0.3 мм.

Общая площадь всех контактных площадок:

 

.

 

Расчетная величина площади подложки:

 

.

 

Выбираем типоразмер подложки №7 (Л1, табл 2.4): длина 20мм, ширина 16мм (допустимое отклонение ±0,1 мм).

В качестве материала подложки МСБ применим ситалл СТ50-1. Толщину подложки принимаем 0,5 мм.

Топология МСБ представлена в (приложении 4) данной работы. Топология 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 0,2 мм.

Минимальное расстояние между проводниками принимаем равным 0,2 мм.

Толщину проводников принимаем равной 0,2 мм.

Навесные компоненты приклеиваем в местах, помеченных прямоугольником и соединяем с соответствующими контактными площадками посредством пайки.

 

 

Разработка конструкции ФЯ