5.2 Расчет размеров подложки

Для определения размеров подложки необходимо рассчитать ее площадь по формуле [2]:

S_подл. = , (5.1)

где S_R- площадь, занимаемая i-м пленочным резистором;

S_{конт.пл.j} - площадь, занимаемая j-ой контактной площадкой;

S_{навес.комп.l} - площадь, занимаемая, l-м навесным компонентом;

q_S= 1,5...2,5 - коэффициент дезинтеграции площади.

мм²

Используя данные приложения А найдем площадь, занимаемую навесными компонентами:

мм²

Примем коэффициент дезинтеграции q_S равным 2,5, тогда получим:

S_подл.= мм²

С учетом этого результата выбираем стандартную подложку с размерами

7,5 × 16,5 = 123,75 мм².

5.3 Разработка топологии

При создании топологического чертежа учитываются ограничения, характерные для метода фотолитографии, и методика разработки топологии МСБ, в которую входят [2]:

- разработка коммутационной схемы (схемы соединений);

- создание эскиза топологии МСБ с окончательным выбором типоразмера платы;

- поверочный расчет теплового режима МСБ;

- окончательная разработка топологического чертежа.

Ограничения, накладываемые тонкоплёночной технологией [6]:

- минимально допустимые размеры плёночных резисторов при фотолитографии – длина и ширина по 0,1 мм;

- контактные площадки размером не менее 0,2 х 0,4 мм;

- минимальная ширина плёночных проводников при фотолитографии – 0,05 мм;

- минимально допустимые расстояния между плёночными элементами, расположенными в одном слое при фотолитографии – 0,1 мм;

- минимальное расстояние между навесными, навесными и плёночными элементами – 0,3 мм;

- минимальная длина гибкого вывода от края навесного элемента до контактной площадки – 0,6 мм, максимальная – 16 мм;

- периферийные контактные площадки располагаются симметрично по двум меньшим противоположным сторонам подложки.

6 Разработка конструкции МСБ

6.1 Выбор корпуса

Для защиты элементов и компонентов МСБ от влияния климатических факторов и для придания конструкции механической прочности МСБ необходимо заключить в герметичный корпус. Выберем металлостеклянный корпус 151.15-8 (1203.15-8) ПИЖМ.430114.001ТУ (ГОСТ 17.467 – 88), имеющий следующие характеристики [7]:

- количество выводов 15

- размер монтажной площадки, мм. 7,5 × 16,5

- минимальная полезная высота, мм. 3,0

- габаритные размеры, мм. 14,5 × 19,5 × 5,0

- масса, г. 3,5

6.2 Особенности сборки и монтажа МСБ

Для монтажа микросхемы, диодов и конденсаторов применяем проволочный монтаж. Компоненты приклеиваем на защитный слой клеем ВК – 9 ОСТ 4ГО.029.004 (наполнитель нитрид бора), затем их выводы привариваются термокомпрессионной сваркой. Защитный слой в местах сварки стравливается. Нагрев кристалла и защитного покрытия при сварке не выше +85⁰С. Для присоединения к монтажной площадке корпуса плата приклеивается клеем ВК – 9 (наполнитель нитрид бора) [3].

6.3 Расчет массогабаритных показателей МСБ

Габаритные размеры МСБ будут определяться размерами корпуса 1203.15-8 (ГОСТ 17.467 – 88). Характеристики корпуса приведены в п. 6.1.

Массу МСБ можно вычислить по формуле [2]:

m = m _подл.+ m _н.к.+ m _корп. , (6.1)

где m _подл. – масса подложки;

m _н.к. – масса навесных компонентов;

m _корп. – масса корпуса.

Масса подложки рассчитывается следующим образом:

m _подл. = V , (6.2)

где - плотность подложки;

V – объем подложки.

m = (2,65 · 10^-3 · 7,5 · 16,5 · 0,6) +(0,05 · 2 + 0,04 · 2 + 0,02) + 3,5 = 3,9 г.

7 Выполнение проверочных расчетов

7.1 Расчет теплового режима МСБ

Для расчета тепловых режимов используется упрощенная модель со следующими допущениями:

- тепло передается только кондукцией;

- источник тепла считается абсолютно плоским;

- теплоотдачей через выводы, торцы и свободные поверхности пренебрегаем;

- корпус считается изотермическим.

Плата приклеивается к основанию корпуса, а навесные компоненты – к плате клеем ВК – 9 ОСТ 4ГО.029.004.

Характеристики клея ВК – 9:

- толщина клея (h _к) ­­­ 0,1 мм;

- коэффициент теплопроводности (_к ) 0,9 Вт/(м · ⁰С)

Характеристики материала подложки (СТ – 50 – 1):

- толщина подложки (h _п ) 0,6 мм;

- коэффициент теплопроводности (_п ) 1,5 Вт/(м · ⁰С)

Нормальный тепловой режим для элементов МСБ обеспечивается при выполнении условий [2]:

Т _э = Т _{с max}+ _к + _э Т _{max доп.} ,

Т _нк = Т _{с max}+ _к + _э + _вн Т _{max доп.} ,

где Т _{с max} – максимальная температура окружающей среды в процессе эксплуатации, заданная ТУ, ⁰С;

_к - перегрев корпуса, ⁰С;

_э – перегрев элементов, ⁰С;

_вн – перегрев области p – n – перехода, ⁰С;

Т _{max доп.} – максимально допустимая рабочая температура элемента и компонента, обычно обговариваемая в ТУ на компоненты и материалы пленочных элементов, ⁰С.

Перегрев элементов находится по формуле:

_э = Р _э · R _{т эфф.} ,

где Р _э – мощность рассеиваемая элементом, Вт;

R _{т эфф.} – тепловое сопротивление с учетом эффективности теплоотвода, ⁰С/Вт.

В свою очередь, сопротивление R _{т эфф.} вычисляется по формуле:

R _{т эфф.} = R _т ·(q, r),

где R _т – тепловое сопротивление, ⁰С/Вт;

(q, r) – поправочный коэффициент.

Тепловое сопротивление определяется по формуле :

R _т = ,

где и _к – коэффициенты теплопроводности материала подложки и клея, Вт/(м ⁰С);

h_п и h_к – их толщины, м;

b и l – размеры контакта тепловыделяющего элемента с подложкой, м.

Параметры q и r вычисляются по формулам:

q = ; r = ,

где h = h_п + h_к, м.

Перегрев корпуса определяется по формуле:

= ,

где Р_∑ - суммарная площадь, рассеиваемая МСБ, мВт;

- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м² · ⁰С);

S_Т – площадь теплового контакта корпуса с теплоотводом, м².

Перегрев области р – n переходов определяется по формуле:

_вн = R_{Т вн} P_э,

где R_{Т вн} – внутреннее тепловое сопротивление компонента, ⁰С/Вт.

Мощности, рассеиваемые элементами и компонентами МСБ, а также результаты расчетов по приведенным выше формулам сведены в таблицу 7.1.

Таблица 7.1

Обозначение	Рэ , мВт	RТ, 0С/Вт	q	r	(q,r)	RТ эфф. , 0С/Вт	э, 0С
R1	1,012	2839	0,43	0,21	0,31	880	0,891
R2	1,012	2839	0,43	0,21	0,31	880	0,891
R3	0,25	568	2,14	0,21	0,64	364	0,091
R4	0,25	568	2,14	0,21	0,64	364	0,091
R5	0,203	568	2,14	0,21	0,64	364	0,074
VD1	0,09	511	0,71	0,71	0,58	296	0,027
VD2	0,09	511	0,71	0,71	0,58	296	0,027
DD1	0,135	142	1,36	1,36	0,83	118	0,016

Суммарная мощность, выделяемая компонентами и элементами МСБ, равна:

Р= 3,042 мВт

При теплоотводе кондукцией через слой эпоксидного клея ( = 300) перегрев корпуса равен:

_к =

Значение внутреннего сопротивления для микросхемы:

R_{Т вн DD1} = 250 /Вт

Значения внутренних сопротивлений для диодов:

R_{Т вн VD1, VD2} = 600 /Вт

Учитывая эти данные, найдем внутренние перегревы навесных компонентов:

_{вн DD1} = 250 · 135 · 10^-6 = 0,034

_{вн VD1} = 600 · 90 · 10^-6 = 0,054

_{вн VD2} = 600 · 90 · 10^-6 = 0,054

По техническому заданию максимальная температура окружающей среды Т_{с max} составляет 60 С. Максимально допустимая температура пленочных резисторов Т_{max доп.} равна 125 , диодов Т_{max доп.} равна 85 , для микросхемы DD1 Т_{max доп.} равна 85 . Учитывая вышеизложенное, вычислим тепловые режимы навесных компонентов и элементов:

Т_R1 = 60 + 0,082 + 0,891 = 60,973 125

Т_R2 = 60 + 0,082 + 0,891 = 60,973 125

Т_R3 = 60 + 0,082 + 0,091 = 60,173 125

Т_R4 = 60 + 0,082 + 0,091 = 60,173 125

Т_R5 = 60 + 0,082 + 0,074 = 60,156 125

Т_VD1 = 60 + 0,082 + 0,027 + 0,054 = 60,163 85

Т_VD2 = 60 + 0,082 + 0,027 + 0,054 = 60,163 85

Т_DD1 = 60 + 0,082 + 0,016 + 0,034 = 60,132 85

В результате проведенных расчетов можно сделать вывод о том, что при максимально допустимой по ТЗ температуре окружающей среды (+ 60 ) МСБ будет нормально функционировать. Таким образом, для МСБ обеспечен нормальный тепловой режим.