69370

Електронні обчислювальні машини (ЕОМ), курс лекцій

Конспект

Информатика, кибернетика и программирование

Мета дисципліни - дати студенту знання принципів конструювання, засобів виробництва і рішення основних завдань конструювання ЕОМ, прищепити студенту навики розробки конструкції і технології її виготовлення на основі процедур синтезу, аналізу і оптимізації. Конструювання є завершальним етапом процесу проектування ЕОМ і полягає в фізичній реалізації прийнятих схемотехнічних рішень.

Украинкский

2014-12-18

612.5 KB

1 чел.

Мета й задачі курсу.

Мета дисципліни - дати студенту знання принципів конструювання, засобів виробництва і рішення основних завдань конструювання ЕОМ, прищепити студенту навики розробки конструкції і технології її виготовлення на основі процедур синтезу, аналізу і оптимізації. Конструювання є завершальним етапом процесу проектування ЕОМ і полягає в фізичній реалізації прийнятих схемотехнічних рішень.

Конструкція ЕОМ (систем) це сукупність електрично і механічно зв'язаних елементів, в якій реалізується принципова схема машини (системи). Вхідні дані для конструктора - принципова схема ЕОМ і технічне завдання на розробку конструкції.

Від успішного розв'язання задач конструювання залежать технічні і економічні показники ЕОМ


Зміст

1. ОСНОВНІ ЗАДАЧІ 

2. КОНСТРУКТИВНА ІЄРАРХІЯ ЕЛЕМЕНТІВ, ВУЗЛІВ ТА ПРИСТРОЇВ ЕОМ 

3. ПРИНЦИПИ КОНСТРУЮВАННЯ ЕОМ  

4. ЄСКД  

5. КЛАСИФІКАЦІЯ ВИРІБІВ  

6. ВИМОГИ ДО КОНСТРУКЦІЇ ЕОМ 

7. ЕТАПИ РОЗРОБКИ ЕОМ І СИСТЕМ 

    Етапи розробки ЕОМ 

8. І М С  

  •  Інтегральні логічні мікросхемі і їхні найважливіші параметри 
  •  Методика вибору серії ІМС 
  •  Інтегральні мікросхеми 
  •  Гібридні плівкові мікросхеми 

9. ЕЛЕМЕНТИ ГПМС 

  •   Контактні плівкові сполучення і провідники 
  •  Конденсатори та індуктивні котушки 

10. СПОСОБИ ДЛЯ ОТРИМАННЯ ПЛІВКОВИХ ЕЛЕМЕНТІВ  

11. НАПІВПРОВІДНИКОВІ ІС 

12. ТЕХНОЛОГІЧНІ ОПЕРАЦІЇ ПРИ ВИГОТОВЛЕННІ ІМС 

  •  Отримання ізоляційних плівок Si 
  •  Фотолітографія 
  •  Отримання структур способом дифузії 
  •  Дифузанти
  •  Елементи напівпровідникових ІМС 
  •  Епітаксія 
  •  Ізопланарна структура 

13. МДП - ТЕХНОЛОГІЯ  

        Комплементарні МДП - структури (КМДП)

14. ТРАВЛЕННЯ В ЛІТОГРАФІЇ  

15. ПЕРСПЕКТИВНІ СПОСОБИ ЛІТОГРАФІЇ  

  •  Рентгенолітографія
  •  Іонно-променева літографія
  •  Іонна імплантація (легирування)

16. ТЕХНОЛОГІЯ ВИРІБНИЦТВА ДРУКОВАНИХ ПЛАТ  

  •  Основні поняття
  •  Типи ДП
  •  Матеріали для виготовлення ДП
  •  Утворення монтажних та перехідних отворів
  •  Виготовлення оригіналів та фотошаблонів рисунків печатної плати
  •  Виготовлення фотошаблонів
  •  Оплавлення покриття олово-свинець та гаряче олудження
  •  Способи виготовлення односторонніх та двосторонніх друкованих плат
  •  Хімічний спосіб
  •  Адитивний спосіб виготовлення ДП
  •  Напівадитивний спосіб
  •  Комбінований спосіб виготовлення ДП
  •  Комбінований позитивний спосіб
  •  Комбінований негативний спосіб
  •  Характеристика комбінованої технології
  •  Способи виготовлення багатошарових друкованих плат
  •  Спосіб металізації наскрізних отворів
  •  Спосіб попарного пресування
  •  Спосіб шарового нарощування
  •  Спосіб виводів, що виступають
  •  Спосіб відкритих контактних площадок

17. ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ПЕРЕШКОДОСТІЙКОСТІ ПРИ КОНСТРУЮВАННІ ЕЛЕМЕНТІВ,         ВУЗЛІВ ТА ПРИЛАДІВ ЕОМ ТА СИСТЕМ  

18. ПРИЧИНИ ВИНИКНЕННЯ ПЕРЕШКОД  

19. ЗОВНІШНІ ЗАВАДИ 

  •  Електростатичне екpанування
  •  Магнітостатичне екpанування
  •  Електромагнітне екpанування
  •  Завади у сигнальних лініях зв'язку
  •  Завади у електpично коротких ЛЗ
  •  Завади у ЛЗ з великою погонною ємністю
  •  Завади у ЛЗ з великою погонною індуктивністю
  •  Перехресні завади
  •  Ємнісна складова перехресної завади
  •  Індуктивна складова перехресної завади
  •  Способи зменшення перехресних завад

20. ЗАВАДИ В ЭЛЕКТРИЧНО ДОВГИХ ЛЗ  

21. ЗАВАДИ В ЛАНЦЮГАХ ЖИВЛЕННЯ 

  •  Імпульсні завади в ланцюгах живлення 
  •  Розрахунок індивідуальних конденсаторів розв’язки 

22. ПРАКТИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ ДЛЯ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ПЕРЕШКОДОСТІЙКОСТІ АПАРАТНИХ ЗАСОБІВ ОТ 

  •  Практичні рекомендації по зменшенню завад у ЛЗ цифрових пристроїв
  •  Електрично довгі ЛЗ
  •  Рекомендації до зменшення завад у ланцюгах живлення


1. Основні задачі.

  1. Геометрична компоновка - вибір форми, pозміpів, взаємного розташування і засобів переміщення елементів конструкції відносно один одного. Оптимальна ГК забезпечує високу швидкодію ЕОМ.

  2. Схемотопологічне проектування - компоновка та трасування друкованих плат (ДП).

  3. Забезпечення завадостійкості, теплового режиму, надійності, захисту від зовнішніх впливів, вигоди в експлуатації (ергономічність).

Велика кількість різноманітних вимог, що подаються до конструкції ЕОМ, приводить до необхідності дослідження декількох варіантів конструкції (без її виготовлення), їхньої порівняльної оцінки і вибору найбільш раціонального варіанту. Констpукція ЕОМ складається з типових складальних одиниць різних рівнів.


2. Конструктивна ієрархія елементів, вузлів і приладів ЕОМ. 

Конструкцію ЕОМ слід розглядати як деяке структурне утворення, складальні частини якого знаходяться у ієрархічному підпорядкуванні.

У конструкції ЕОМ можна виділити п'ять рівнів:

  1.  Конструктивно неподільний елемент - ІС, ЕРЕ.
  2.  Типовий елемент заміни - осередки, модулі.
  3.  Панель, субблок, блок. Включає в себе конструктивні одиниці, призначені для механічного і електричного об'єднання елементів рівня 1.
  4.  Стійка, шафа. Внутpішній обсяг заповнюється конструктивними одиницями рівня 2.
  5.  ЕОМ або система в цілому.

Число рівнів конструктивної ієрархії може бути змінене як збільшуватися, так і зменшуватися в залежності від класу ЕОМ і рівня технології її виготовлення. 

Характеристики типової конструкції:

  Можливість організації виробництва за незалежними циклами;

  Можливість уніфікувати та спростити контрольно-вимірювальні прилади;

  Поетапна наладка елементів, вузлів і приладів ЕОМ;

  Можливість автоматизувати низку виробничих операцій.


У підсумку досягається підвищення надійності і зниження собівартості ЕОМ.

Конструктивна ієpаpхія великих універсальних ЕОМ.

0

1

2

3

4

ІС

ТЕЗ (осередки)

панель (блок)

шафа (стійки)

ЕОМ

Осередок - це прямокутна ДП з печатним або дротовим роз'ємом, що об'єднує понад декілька десятків ІМС.

Осередки монтують в панелі - металеву конструкцію, що має в своєму складі відповідні частини роз'ємів для осередків, відповідний монтаж, розводку живлення і заземлення.

Декілька панелей монтуються у стійці,яка має дверцята ,що закривають внутрішній об'єм. Окрім панелей до складу стійки можуть входити блоки живлення,пристрої вентиляції, блокування та ін. Декілька стійок (шаф), об'єднаних електpично за допомогою кабелів, утворять ЕОМ.

Така ієpаpхія у машинах: "Система-360" (IBM), "ILLIAC'-IV", у машинах ЄС ЕОМ та ін. 

Модульний варіант конструктивної ієрархії великих і середніх ЕОМ.

Недолік осередку: має стандартні pозміpи і тому, не завжди вдається повністю заповнити його ІМС. Інколи його площина заповнена на 50%, тобто має місце низька щільність компоновки ІМС (наявність невикористаного обсягу). Цього недоліку позбавлені конструкції, де в якості ТЕЗ беpеться модуль.

Модуль - це стpуктуpна одиниця першого рівня, уніфікована за конструктивними розмірами (геометричним і приєднувальним) і що є два pозміpи (висоту і ширину) постійними, а третій pозміp (довжину) - що змінюється від одного типу модуля до іншого.

Модуль являє собою прямокутну ДП, на якій з однієї або з обох сторін в 2-3 рядка містяться ІМС. Закріплення модуля на субблоці здійснюють за допомогою дротів, перпендикулярних площині плати модуля та що монтуються на самому модулі, або на базовій платі субблоку. Як правило, контактні дроти (або дірки під них) розташовуються на модулі вздовж довгих його боків. Довжина різних типів модулів кратна кроку розміщення корпусів мікросхем на ДП.

Субблок - елемент конструкції другого рівня. Являє собою плоску конструкцію. Необхідний для об'єднання модулів. Складається з рами, базової плати, роз'єму і механізму фіксації у стойці (шафі).

Приклад - ЕОМ СМ-4000.

Недоліком застосування в якості ТЕЗ модулів є низька pемонтоздатність ЕОМ.

Pемонтоздатність вимірюється часом, за який мінімальна конструктивна одиниця може бути оперативно замінена. Заміна модуля - це пайка.

Блоковий варіант конструктивної ієрархії середніх і малих ЕОМ.

Включає наступні рівні: 

0

I

II

III

ІМС

ТЕЗ

блок

стійка (ЕОМ)

Відокремлювальна особливість блокового варіанту ієрархії від перших прикладів - використання блоків - конструктивних одиниць, що об'єднують осередки і функціонально включаючих до себе цілком пристрої машини (арифметичне, запам’ятовуюче, управління та ін.).

Приклад - машини СМ ЕОМ (СМ-1800).

Конструктивна ієpаpхія настільних та бортових ЕОМ.

0

I

II

ІМС 

ТЕЗ (осередок)

ЕОМ

ТЕЗи виконуються значно більшого pозміpу і включають десятки і сотні МС. Це зв'язане з тим, що розбивання функціональної схеми невеликих обчислювальних машин на повторні дрібні вузли наводить до необхідності виготовлення осередків (або модулів) невеликого pозміpу, а звідси, до появи великої кількості провідникових та роз’ємних сполучень.

Для бортових ЕОМ хаpактеpна відсутність панелі управління. Підключення до неї та до об'єкту управління здійснюється кабелем.

Конструктивна ієpаpхія одноплатних ЕОМ. 

0

I

ІМС 

ЕОМ

Прикладом дворівневої конструктивної ієрархії може служити конструкція одноплатної мікроЕОМ, що вбудовується до об'єкту управління. У цій конструкції ВІС встановлюється на ДП з зовнішніми pоз'ємами, елементами кріплення її у об'єкті управління та елементами індикації (при необхідності) з лицевої частини. Управління та електроживлення здійснюється від об'єкту що управляється.  


3. Принципи конструювання ЕОМ.

У наші часи отримали широке розповсюдження такі принципи конструювання, як моносхемний, схемно-вузловий, каскадно-вузловий, функціонально-вузловий та модульний.

1. Моносхемний.

Цей принцип конструювання полягає в тому, що повна принципова схема ЕОМ знаходиться на одній ДП. Використовується для ЕОМ невеликої складності при їхньому великосеpійному виробництві (одноплатні ЕОМ).

Недолік: низька pемонтоздатність. Вихід з ладу одного елементу приводить до збою всієї системи. Оперативна заміна несправного елементу ускладнена із-за складності його виявлення. ЕОМ, що зроблена за цим принципом, повинна бути змонтована на декількох ВІС, в яких передбачено міри збільшення надійності шляхом введення пристройного та інформаційного надлишку.

Перевага: так як нема міжплатних сполучень, то досягається максимальна швидкодія і висока надійність.

2. Схемно-вузловий.

Повна принципова схема ділиться на вузли з чітко вираженими вхідними і вихідними хаpактеpистиками, кожний з яких розташовують на окремій платі.

Кожний вузол, як правило, - функціонально закінчена одиниця (пpоцесоp, пам'ять, контpолеp введення-виводу).

Використовується для побудови ЕОМ на ІМС з великим ступенем інтеграції.

За таким принципом сконструйовано настільні і бортові ЕОМ, де різні пристрої ЕОМ виконують на одній або декількох (невеликої кількості) платах, а об'єднання їх між собою роблять за допомогою комутаційної плати і провідникових жгутів.

3. Каскадно-вузловий.

Принципова схема ділиться на функціонально закінчені вузли, які, у свою чергу, діляться на каскади, кожний каскад реалізовано на окремій платі. (Окремі каскади не можуть виконувати самостійних функцій).

Блоковий варіант конструктивної ієрархії займає проміжне положення між схемно-вузловим і каскадно-вузловим принципами (приклад, СМ ЕОМ).

ЕОМ з відносно складною і великою стpуктуpою будується за каскадно-вузловим принципом, а ЕОМ з більш простішою стpуктуpою за схемно-вузловим принципом.

4. Функціонально-вузловий.

Принципова схема ділиться на невеликі функціональні вузли з урахуванням забезпечення уніфікації їхнього застосування.

Цей принцип конструювання знайшов широке розповсюдження при pозpобці великих ЕОМ. Приклад - ЄС ЕОМ (1022.1030 і дp.).

Базовим елементом конструкції тут є ТЕЗ.

Маючи необхідний набір ТЕЗів, можна побудувати цілий ряд обчислювальних машин з різними технічними хаpактеpистиками. Кількість типів ТЕЗів може налічувати декілька десятків.

Переваги: Висока pемонтоздатність ЕОМ. ЕОМ має пpогpамні способи діагностування, які дозволяють локалізувати несправність ЕОМ з точністю до ТЕЗа.

Для ЕОМ, побудованої за каскадно-вузловим принципом, а також за схемно-вузловим принципом (на відміну від функціонально-вузлового принципу) мають ТЕЗи великої вартості. Ремонт їх складний, великої вартості та робиться на заводах-виробниках і спеціальних підприємствах.

5. Модульний.

Цей принцип конструювання передбачає, що основні функціональні вузли ЕОМ взаємозв’язані за допомогою одного каналу (передбачає оpганізацію ЕОМ з загальною шиною). Пpи цьому можуть використовуватися всі принципи конструювання.

Під модулем у даному випадку мається на увазі функціонально-стpуктуpна, а не конструктивна одиниця машини.

Модуль - функціонально-закінчений пристрій ЕОМ. Модуль може бути реалізовано на одній, на 2-3 платах або у окремому блоці.

Щоб встановити зв'язок з модулем-пpиймачем, модуль-пеpедавач посилає потрібний сигнал разом з адресою за одною (або більш) шиною. Сигнали надходять на входи усіх підключених до загальної шини модулів, однак відповідає тільки той, до якого звертались.

Використовуючи цей принцип, можна побудувати ЕОМ з високою продуктивністю та складністю, зберігаючи при цьому гнучкість у її організації, бо pозpобник використовує рівно стільки модулів, скільки йому необхідно.

За цим принципом можуть будуватися багатопpоцесоpні системи, тобто у машині працюють паралельно декілька пpоцесоpів. Замовник, виходячи з своїх потреб, може визначити обсяг оперативної пам'яті і потрібний набір контpолеpів введення-виводу для підключення зовнішніх приладів.

Таким чином, pозpобник ЕОМ може також легко модернізувати конструкцію, змінюючи або додаючи окремі модулі і одержуючи при цьому необхідні паpаметpи ЕОМ. 


4. ЄСКД 

ЄСКД - система державних стандартів, що встановлюють правила і положення про порядок розробки, оформлення і звернення технічної документації, що розробляється і що застосовується підприємствами і організаціями СНД. 
Застосування ЄСКД забезпечує: 
а) можливість взаємообміну технічними документами всередині країни і між державами без їхнього переоформлення; 
б) скорочення типів і спрощення форм технічних документів і графічних зображень, що знижує трудомісткість проектування; 
в) механізацію і автоматизацію обробки технічних документів і інформації ,що в них міститься. 

Постанова РадМіна СРСР від 11 січня 1965г. - рішення про створення ЄСКД на вироби машинобудування і приладобудування (До цього в 1950г.-'СИСТЕМА чертежного хозяйства' - 17 стандартів). Основний комплекс стандартів (92 шт.) введений в чинність з 1971г. 1978г. - рекомендації " Правила выполнения электросхем на изделия цифровой техники ". 1982г.-" ЕСКД,Обозначения условные графические в схемах " та ін. 
Позначка стандартів: [ГОСТ] [2].[7][43] -[82], де:
[82] - рік реєстрації стандарту;
[43] - порядковий номер стандарту в групі; 
[7]   - класифікаційна група стандартів; 
[2]   - клас (стандарти ЄСКД); 
[ГОСТ] - категорія норм технічного документа (держ. стандарт).
Стандарти ЄСКД розподілені на 10 класифікаційних груп: 
Наприклад, 0 - Загальні положення; 
                  7 - Правила виконання схем. 


5. Класифікація виробів. 

ВИРІБ - будь-який предмет або набір предметів виробництва, що підлягають виготовленню на підприємстві. Розрізняють вироби основного виробництва (для реалізації) і вироби допоміжного виробництва (власне споживання).

ДЕТАЛЬ - виріб, що не має складників і виготовлений з однорідного по найменуванню і марці матеріалу без застосування складальних операцій. До деталей відносять також вироби, що виготовляються із застосуванням місцевого зварювання, пайки, склеювання та ін. Наприклад, друкована плата, пелюстка роз’єму, утримувач транзистора та ін.

СКЛАДАЛЬНА ОДИНИЦЯ - виріб, складальні частини якого підлягають сполученню між собою на підприємстві-виробнику складальними операціями (згвинченням, зварюванням, пайкою, опресівкою, развальцовкою, заклейкою та ін.). Наприклад: осередок, мікросхема, роз'єм та інші.

КОМПЛЕКС - виріб, складений з двох (або більш) складальних одиниць, не з'єднаних на підприємстві-виробнику складальними операціями, але призначених для виконання взаємозв’язаних експлуатаційних функцій. Наприклад: ЕОМ з периферійними приладами; комплект запасних частин, випробувальної апаратури.

КОМПЛЕКТ - два (або більше) вироби, не з'єднаних на підприємстві-виробнику складальними операціями, але призначених для виконання взаємозв'язаних експлуатаційних функцій.

НЕСПЕЦИФІКОВАНІ ВИРОБИ - деталі, що не мають складальних частин.

СПЕЦИФІКОВАНІ ВИРОБИ - складальні одиниці, комплекси, комплекти, що мають в своєму складі два (або більш) елемента.

ПОКУПНІ ВИРОБИ - вироби, що не виготовляються на даному підприємстві, а одержувані їм в готовому вигляді.

ТИПИ КОНСТРУКТОРСЬКИХ ДОКУМЕНТІВ 

КОНСТРУКТОРСЬКІ ДОКУМЕНТИ (КД) - документи, в окремості або в сукупності визначають склад і влаштування виробу і що містять необхідні дані для його розробки і виготовлення, контролю, приймання, експлуатації і ремонту.

По формі подання КД розрізняють на графічні і текстові.

ГРАФІЧНІ КД - документи, в яких за допомогою встановлених стандартом символів і правил пояснюється влаштування, принцип дії, склад і зв'язки між окремими частинами виробу. До них відносять:

  креслення деталі - зображення деталі, дані, необхідні для її виготовлення і контролю;

  складальне креслення - зображення виробу і дані, необхідні для його складання і контролю;

  креслення загального вигляду - зображення конструкції виробу, що дасть уявлення про взаємодію його основних частин і принцип роботи;

  геометричне креслення - геометрична форма виробу і координати його основних частин;

  габаритне креслення - контурне (спрощене) зображення виробу з габаритними, приєднувальними і установочними розмірами;

  монтажне креслення - контурне зображення виробу, що містить дані для його встановлення;

  схеми - умовні зображення або позначки складників виробу і зв'язків між ними;

  специфікацію - склад складальної одиниці, комплексу або комплекту.


ТЕКСТОВІ КД - документи, що містять опис влаштування, принципу чинності і експлуатаційних показників виробу. До них відносять:

  відомість специфікацій - перелік всіх специфікацій складників виробу;

  відомість засланих документів - перелік засланих документів, на які вироби є заслання в КД;

  відомість закупних виробів;

  відомість погодження застосування виробів;

  відомість утримувачів оригіналів;

  відомість технічної пропозиції (ескізного, технічного проекту);

  пояснювальну записку - опис пристрою і принципу дії розробленого виробу, а також обґрунтування прийнятих при його pозpобці техніко-економічних рішень;

  технічні умови - споживчі показники виробу і способи контролю його якості;

  програму і методику випробовувань;

  розрахунок - розрахунки параметрів і величин;

  патентний формуляр.


ГОСТ розрізняє основній і повний комплекти КД.

Основний комплект КД  повністю визначає даний виріб і його склад. Він об'єднує всіх КД, стосовні до даного виробу (складальне креслення, принципову електричну схему та ін.). КД складників в основний комплект КД не входять.

Повний комплект КД включає в себе основний комплект КД на вироби і основні комплекти КД на всі складники.


6. Вимоги до конструкції ЕОМ. 

  Тактико-технічні вимоги:

  •  швидкодія;
  •  об'єм ОЗП, ПЗП, ЗЗП; 
  •  адресність команд; 
  •  pозpядність машинного слова; 
  •  точність виконання операцій, та ін. 

В основному дані вимоги утворюються на перших
етапах розробки ЕОМ, коли визначаються склад машини,
її структура, мат. забезпечення, основні вимоги до окремих пристроїв.

  Констpуктивно-технологічні вимоги:

  •  забезпечення фунціонально-вузлового принципу будування конструкції ЕОМ; 
  •  технологічність; 
  •  мінімальну номенклатуру комплектуючих виробів;
  •  мінімальні габаритні pозміpи і вага; 
  •  передбачення засобів захисту від кліматичних і механічних факторів; 
  •  pемонтоздатність.

ТЕХНОЛОГІЧНІСТЬ - включає до себе набір положень і правил, що визначаються можливостями підпpиємства-виробника ЕОМ, і впливати на ефективність її виробництва і експлуатації. Повинні забезпечуватися мінімальні терміни впровадження у виробництво, випробовуваня мінімальної номенклатури комплектуючих виробів, найбільша економічність з боку затрат матеріальних ресурсів і робочої сили.

  В технологічній конструкції максимально виражено:

  •  взаємозамінність, налаштовуваність, інструментальна доступність елементів і вузлів;
  •  уніфіковані, нормалізовані та стандартні деталі і матеріали.

РЕМОНТОЗДАТНІСТЬ - якість конструкції до відновлення працездатності і підтримання заданої довговічності.

  Для її підвищення передбачають:

  •  доступність до всіх конструктивних елементів для огляду і заміни без попереднього вилучення інших елементів;
  •  наявність контрольних точок для підключення КВА контрольних приладів при налаштуванні та контролі за роботою машини; 
  •  застосування швидкоз'ємних фіксаторів та ін.

  Експлуатаційні вимоги:

  •  простота управління і обслуговування;
  •  передбачення мір сигналізації небезпечних режимів pоботи;
  •  наявність в комплекті машини КВА (комплект виявлення аварії);
  •  забезпечення безпеки ремонту і робіт для налагодження.

  Вимоги по надійності:

  ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ:

  •  імовірності безвідмовної праці;
  •  напрацювання на відмову;
  •  середнього часу відновлення працездатності;
  •  довговічності; 
  •  збереження.

ІМОВІРНІСТЬ БЕЗВІДМОВНОЇ РОБОТИ - імовірність того, що в заданому відрізку часу при заданих режимах і умовах праці в ЕОМ не буде жодної відмови.

НАРОБКА НА ВІДМОВУ - середній час роботи ЕОМ між відмовами.

СЕРЕДНІЙ ЧАС ВІДНОВЛЕННЯ ДІЄЗДАТНОСТІ - середній час на ремонт однієї відмови.

ДОВГОВІЧНІСТЬ - час роботи ЕОМ до повного зносу з необхідними пеpеpвами для технічного обслуговування і ремонту.

ПОВНИЙ ЗНОС - стан машини, що не дозволить її подальшу експлуатацію.

ЗБЕРЕГАЄМІСТЬ - спроможність ЕОМ зберігати всі технічні хаpактеpистики після заданого терміну зберігання і транспортування у заданих умовах.

  Економічні вимоги:

  •  мінімально можливі витрати часу, праці і матеріальних засобів на розробку, виготовлення і експлуатацію ЕОМ;
  •  мінімальна вартість машини після засвоєння її у виробництві.

Тісний зв'язок вимог ,що подаються часто наводить до того, що прагнення максимально задовольнити одному з них веде до необхідності знизити значення інших. Точний зв'язок між такими вимогами встановлюється статистичним аналізом pозpоблених і виготовлених ЕОМ.

Найбільш просте співвідношення між різноманітними вимогами має бути встановлене виходячи з типу, призначення і хаpактеpу експлуатації ЕОМ за допомогою вагових коефіцієнтів.

                         Вагові коефіцієнти вимог для ЕОМ

Вимоги

Універ-
сальної

Керуючої

Портативної

Бортової

Максимальна 
швидкість

     1

          2

          4

      3

Висока надійність

     2 

          1

          3

      1

Низька вартість

     3

          2 

          1

      4

Мале энергоспо-
живання

     3

          4 

          2

      1

Невеликі габарити, маса

     3

          2

          2

      1

1 - найбільш важливі вимоги;
4 - найменш важливі вимоги;


7. Етапи розробки ЕОМ і систем 

Основні Стандарти встановлюють наступні етапи розробки КД на вироби всіх галузей промисловості, в тому числі і на ЕОМ:

ТЕХНІЧНЕ ЗАВДАННЯ (ТЗ) встановлює основне призначення, ТТХ, показники якості і тактико-технічні вимоги, що подаються до виробу ,що розробляється;

ТЕХНІЧНА ПРОПОЗИЦІЯ - сукупність КД, технічне і техніко-економічне обґрунтування доцільності розробки виробу на підставі аналізу ТЗ замовника і різноманітних варіантів, що містять можливої реалізації виробу, порівняльної оцінки рішень з урахуванням конструктивних і експлуатаційних особливостей нового і існуючих виробів, а також патентних матеріалів;

ЭСКІЗНИЙ ПРОЕКТ - сукупність КД, що містять принципові конструктивні рішення, що дадуть загальне уявлення про влаштування і принцип чинності виробу, а також дані, визначальні призначення і основні параметри виробу, що розробляється;

ТЕХНІЧНИЙ ПРОЕКТ - сукупність КД, що містять остаточні технічні рішення, що дадуть повне уявлення про влаштування виробу що розробляється, і вхідні дані для розробки робочої документації;

РОЗРОБКА РОБОЧОЇ ДОКУМЕНТАЦІЇ - сукупність КД, призначених для виготовлення і іспити спробного зразка виробу.

Для нового виробу - два етапи:

  НДР - попередня аналітична і розрахункова опрацювання виробу. Результат НДР - науково-технічний звіт з висновками про нові принципи будівництва виробу, науково обґрунтований підхід до реалізації цих принципів, аналіз проведених досліджень НДР може дати і негативний результат.

  ДКР - процес інженерного втілення теоретичних результатів, отриманих на етапі НДР, в схему і конструкцію виробу. Під час ДКР виробляються теоретичні, розрахункові та експериментальні дослідження реалізованих у виробі ідей. ДКР закінчується випуском повного комплексу технічної документації на виріб, виготовленням і іспитом спробного зразка.
 

НДР - розробка ТЗ і ТП.

ДКР - ескізне і технічне проектування, розробка робочої документації. В залежності від ступеня новизни ескізне проектування в ДКР може бути випущене.

Етапи розробки ЕОМ

1-й етап - ПІДГОТОВЧИЙ: 
вивчення задач, для яких призначена дана ЕОМ, аналіз існуючих машин, нових принципів. Визначаються технічні хаpактеpистики майбутньої машини.

2-й етап - РОЗРОБКА ТЗ містить: 
- основне призначення; 
- ТХ і ТТХ; 
- показники якості і техніко-економічні вимоги; - виконання необхідних стадій розробки КД і її склад; 
- спеціальні, конструктивні, технологічні, експлуатаційні вимоги і вимоги до надійності. 
В ТЗ вказується підпpиємство-замовник і підпpиємство-pозробник ЕОМ. Відношення між ними регламентуються договором - юридичним документом. Погодження, корегування ТЗ, зміни. 

3-й,4-й етапи - ТЕХНІЧНА ПРОПОЗИЦІЯ. Розроблюється сукупність КД, які відображають різноманітні варіанти конструктивного і схемного будування ЕОМ, що розроблюється. Вибір основних комплектуючих виробів, елементної бази, носія інформації, оперативної і зовнішньої пам'яті та ін. Основне в технічній пропозиції - побудова загальної структурної схеми ЕОМ (взаємодія всіх основних вузлів і блоків ОМ). Всім КД, що випускаються на стадії технічної пропозиції, присвоюється літера "П".  

5-й - 7-й етапи - ЕСКІЗНЕ ПРОЕКТУВАННЯ. На цих етапах приймаються принципові конструктивні і технічні рішення, що відрізняються від технічної пропозиції більш детальної опраювання приладів в відповідності з ТЗ, літера "Е". 

8-й,9-й етапи - ТЕХНІЧНЕ ПРОЕКТУВАННЯ. Детально відпрацьовуються схемні та конструкторські рішення ЕОМ, випускаються креслення на всі елементи, вузли, блоки і прилади ЕОМ, проробляються питання захисту від механічних, кліматичних і радіаційних впливів, доступу при ремонті і контролі, прив'язки до об'єкту установки та ін. В результаті - корегування ТЗ. Літера "Т". 

10-12-й етапи - виготовлення, настройка і експлуатація спробного зразка. Літера "О". 

13,14-й етапи - ВИПУСК УСТАНОВОЧНОЇ СЕРІЇ "Р". Після випуску і іспиту установочної партії ЕОМ розробник передає всі оригінали технічної документації заводу-виробнику, який при необхідності передруковує її, присвоюючи літеру "А." По закінченню відпрацьованої документації виробляється масовий випуск ЕОМ. 

15,16-й етапи - Корегування функціональних, принципових, монтажних і інших схем, КД і технологічної документації або ТЗ, в результаті експлуатації і ремонту ЕОМ. Скоректована технічна документація передається на завод-виробник. 


8. І М С

Умовна позначка серії І М С

Ряд окремих функціональних мікросхем, об'єднаних по виду технології виготовлення, напругою джерел живлення, вхідним і вихідним опорам і рівням сигналів, конструктивному оформленню і засобам кріплення або монтажу, утворюють серію ІМС.

Класифікація ІС за функціональним призначенням.

Логічні елементи:

І

ЛИ

І - НІ / АБО - НІ

ЛБ

АБО

ЛЛ

І - АБО - НІ

ЛР

НІ

ЛН

І - АБО - НІ / І - АБО

ЛК

І - АБО

ЛС

АБО - НІ / АБО

ЛМ

І - НІ

ЛА

поширювачі

ЛД

АБО - НІ

ЛЕ

інші

ЛП

Тригери:

Наприклад, типу J - ТВ, типу D - ТМ, типу T - ТТ, інші - ТП.

Схеми цифрових приладів:

Наприклад,

регістри

ИР

суматори

ИМ

напівсуматори

ИЛ

лічильники

ИЕ

шифратори

ИВ

дешифратори

ИД

АЛП

ИА

інші

ВП

Умовна позначка серії ІС складається з двох елементів: перший - цифра, що вказує на конструктивно-технологічний різновид серії мікросхем: напівпровідникові-1.5, 6.7; гібридні - 2.4, 8; інші (вакуумні, плівочні, керамічні та ін.) - 3; другий двох (стара позначка) або трьох знакове число, що вказує реєстраційний порядковий номер серії. Наприклад, 1801, 217.

Умовна позначка ІС складається з чотиризначної цифрової умовної позначки серії, двох літер, що позначають підгрупу і вид мікросхеми, і порядкового номера розробки мікросхеми за функціональною ознакою в даній серії. При необхідності в умовну позначку ІМС може бути введена літера (від А до Я), по якій визначають відмінність ІМС одного типу по якому-або параметру, наприклад, по значенню окремих електричних параметрів, граничним експлуатаційним параметрам та ін.

Індекс К спереду всіх елементів позначки - для ІМС широкого застосування.

Наприклад, К133ЛР1, К1804ВС1.

Для без корпусних ІМС після позначки порядкового номера серії і порядкового номера розробки ІМС (або після додаткової літерної позначки) через дефіс вказується цифра, що характеризує модифікацію конструктивного виконання (від 1 до 6). Перед цифровою позначкою серії проставляється літера Б.

Наприклад, Б747ИК1А-1 - мікросхема серії Б747 в без корпусном виконанні з гнучкими виводами.

Літери К, КМ, КН, КР И КА в початку умовної позначки ІМС характеризують умови їхнього приймання на заводі-виробнику.

Корпуси ІМС

Корпуси ІМС виконують ряд функцій, основні з яких:

  захист від кліматичних і механічних впливів;

  екранування від перешкод;

  спрощення процесів складення мікросхем;

  уніфікація вхідного конструктивного елементу (мікросхеми) за габаритним і установочним розмірам.

За конструктивно-технологічною ознакою розрізняють корпуси:

  метало-скляні (скляна або металева основа, з'єднана з металевою кришкою за допомогою зварювання; виходи ізольовані склом);

  металополімерні (підложка з елементами і виводами встановлюється в металеву кришку, після чого здійснюється герметизація шляхом заливки компаундом);

  металокерамічні (керамічна основа, з'єднана з металевою кришкою за допомогою зварювання або пайки);

  керамічні (керамічна основа і кришка, з'єднані між собою пайкою);

  пластмасові (пластмасова основа, з'єднана з пластмасовою кришкою опресуванням).

Кожний вид корпуса характеризується габаритними і приєднувальними розмірами, числом виходів і розташуванням їх відносно площини основи корпуса. Виходи мікросхем можуть лежати в площині основи корпуса (планарні виходи) або бути перпендикулярними йому (дротові виходи).

Планарні виходи по перетину, як правило, прямокутні, дротові - круглі або прямокутні.

В теперішній час застосовуються п'ять типів корпусів.

Корпуси розрізняються формою:

  прямокутна;

  кругла;

Розташуванням виходів на площині основи:

  в межах проекції тіла корпуса;

  за межами проекції тіла корпуса;

  в межах і за межами;

Розташуванням виходів відносно площини основи:

  перпендикулярне;

  паралельне;

  без виходів;

Кроком виходів, мм: 0.625; 1.25; 2.5.

Може бути до 100 і більш виходів. З збільшенням кількості виходів надійність ІС падає, тому, як правило, ІМС використає 40-48 виходів. Для скорочення кількості виходів використають багатофункціональні виходи.

Пластмасові корпуси забезпечують надійну ізоляцію, дешеві, погано захищають від теплових і електромагнітних впливів.

Для захисту від електромагнітних випромінювань застосовують метало-скляні, металокерамічні корпуси.

Керамічні корпуси забезпечують найкращі характеристики ІМС, бо в найкращому ступені відводять тепло (використовуються для ІС з великою потужністю, що розсіюється).

8.1   Інтегральні логічні мікросхеми
і їхні найважливіші параметри.

  1. Функція, що реалізується.

  2. Коефіцієнт розгалуження по виходу.

  3. Коефіцієнт об'єднання по входу Коб.

  4. Коефіцієнт об'єднання по виходу Коб. Вих.

  5. Потужність споживання Рпот. Ср.=(Рпот. +Рпот)/2 

  6. Середній час затримки розповсюдження сигналу tзд. Р. Ср. tзд. Р. Ср.=(tзд+tзд)/2

  7. Робоча частота f.

  8. Перешкодостійкість (статична, динамічна) Кпом. Ст. =Uпом/Umin.  

  9. Напруга "0" U або "1" U 

  10. Напруга джерела живлення Uживл. (їхня кількість)

  11. Допуск на номінали джерел живлення ?Uживл. 

  12. Вхідна Свх і вихідна Свих ємкість 

  13. Струм споживання Iспож. 

  14. Вхідне Rвх і вихідне Rвих опори. 

  15. Допустимий діапазон робочих температур ?Tр. 

  16. Допустима величина механічних впливів. 

  17. Допустимий діапазон тиску навколишнього середовища. 

  18. Тривалість до радіаційних впливів. 

  19. Маса. 

  20. Надійність. 

8.2  Методика вибору серії ІМС 

По кількісному визначенню параметри, що порівнюються, ділять на групи: 

Група 1. Якість серії ІМС:

  тривалість до кліматичних впливів;

  тривалість до механічних впливів; 

  тривалість до радіації, що проникає; 

  середня затримка на елемент; 

  статична перешкодостійкість; 

  число типів елементів в серії; 

  кількість номіналів напруг живлення; 

  допустимі відхилення від номіналів напруг живлення;

  технічний ресурс;

  габаритні розміри корпуса; 

  коефіцієнт об'єднання по входу; 

  коефіцієнт розгалуження по виходу; 

  ступінь інтеграції логічних функцій; 

  вартість основного елементу. 


Група 2. Можливість ОУ, побудованих на тій або іншій серії ІМС.

  max тактова частота роботи;

  надійність; 

  потужність споживання; 

  вартість виготовлення; 

  вартість комплектуючих виробів; 

  об'єм; 

  маса. 


Етап 1. Серії ІС розглядають з точки зору їхньої придатності за параметрами а-д, ж, з, і, п, р, з. Якщо за однім з цих параметрів серія не задовольняє тактико-технічним вимогам на машину, то її відкидають і не використовують.

Етап 2. З параметрів відібраних серій складають матрицю X, яку після цього при необхідності перетворюють в матрицю Y.
 

X11

X12

...

X1m 

X= 

X21

X22

...

X2m 

Xij

Xn1

Xn2

...

Xnm 

де i=1, 2,..., n - номер серії ІС; j= 1, 2,..., m - номер параметру ,що враховується. 

Приклад параметрів:

  Тактова частота, МГЦ;

  Коефіцієнт перешкодостійкості;

  Число типів мікросхем; 

  Коефіцієнт розгалуження по виходу; 

  Вартість основного елементу (грн.); 

  Маса пристрою (кг). 


Параметри матриці X, що мають кількісні вирази , наводяться до такого вигляду, щоб більшому числовому значенню параметру відповідала краща якість серії ІС. У іншому випадку, параметр призводять:

Yij=1/Xij. 

В результаті одержують матрицю наведених параметрів Y=[Yij].

Етап 3. Отриману матрицю нормують (матриця А) і з урахуванням вагових коефіцієнтів визначають оціночну функцію для кожної з розглядуваних серій. Та серія ІС, у якої величина Qi менш, вважається найбільш оптимальної. Нормування параметрів матриці Y:
Aij = (Ymaxj-Yij) / Ymaxj,

A = [Aij]

Qi = AijBj

де Bj - ваговий коефіцієнт j-го параметру (в ТЗ або визначається головним конструктором)

Bj = 1.

8.3  Інтегральні мікросхеми

Елементною базою ЕОМ є ІМС.

ІС - цей конструктивно закінчений мікроелектронний виріб, що виконує певну функцію перетворення інформації, що містить сукупність електрично-зв'язаних між собою електро-радіоелементів, виготовлених в єдиному технологічному циклі.

Формальне визначення" ІС" дане в ГОСТ 17021-88.

Термін" ІС" відбиває:

  1. Конструктивну інтеграцію, тобто об'єднання електро-радіоелементів (ЕРЕ) в одну конструкцію;

  2. Схемотехнічну інтеграцію, тобто виконання функцій більш складних у порівнянні з функціями окремих ЕРЕ;

  3. Технологічну інтеграцію - створення всіх ЕРЕ і сполучень в єдиному технологічному циклі.

Термінологія:

В ІС розрізняють елементи і компоненти.

Елемент ІС - це її невіддільний складник, що виконує функцію електро-радіоелемента. Тому T, D, C, R ІС називають інтегральними.

Компонент ІС - це її частина, що також виконує функцію ЕРЕ, але може бути виконана як самостійний виріб.

Якщо T, D, C, R виробляють окремо, то їх називають дискретними ЕРЕ.

Показником складності ІС є ступінь інтеграції, що характеризується числом в ній елементів і компонентів:

K = lg N , K - ступінь інтеграції (округлюють до найближчого цілого);

N - число елементів і компонентів.

Розрізняють:

  1-а ступінь інтеграції до 10 елементів ;

  2-а ступінь інтеграції до 10^2 елементів ;

  3-я ступінь інтеграції до 10^3 елементів ;

  4-а ступінь інтеграції до 10^4 елементів ;

  5-а ступінь інтеграції до 10^5 елементів ;

  6-а ступінь інтеграції до 10^6 елементів ;

K=1..2 - МІС (І, АБО, Т, посилювач, фільтр);

K=2..3 - СІС (PG, CТ, DC, ПЗУ);

K=3..4 - ВІС (АЛУ, ОЗУ, ДПЗУ);

K=5..7 - НВІС (ЕОМ);

(3 - зв'язане з технологією, наприклад, біполярна або МОП. Наприклад, ВІС - це > 500 елементів за біполярною або > 1000 елементів за МОП-технологією).

8.4 Гібридні плівкові мікросхеми

ГПМС - ІС, в яких використовуються навісні дискретні компоненти і плівкові елементи. Звичайно навісними є активні елементи (Т, D). R, C, L і провідники виконуються у вигляді плівок. ГПМС - це спеціалізована ІС. Всі елементи розташуються на діелектричній підложці. Розрізняють тонко плівкові (<1мкм) і товсто плівкові (>1мкм) ГПМС.


9. Елементи ГПМС

1. Підложка - конструктивна основа ГПМС. Матеріал підложки повинен мати високі ізоляційні властивості, високе значення питомого опору, малу діелектричну проникливість, високу електричну міцність, теплопровідність та ін.

Цим вимогам задовольняють скло, ситалл (основний матеріал, виробляють зі скла), кераміка, сапфір та ін. (Для тонко плівкової технології - звичайно ситалл, для товсто плівкової - кераміка).

Розміри підложок уніфіковані. Поверхня підложки повинна мати деяку шорсткість, але не нижче 12-14 класу для тонких плівок, і 8-10 класу для товстих.

2. Плівкові резистори - площадка з резистивної плівки, що перекривається на протилежних ділянках контактними площадками з провідної плівки. Опір резистору визначається формою контуру і контактних площадок.

Конструкція R:

  прямокутна

  •  а) Кф > 1
  •  б) Кф <1 (низькоомні) :

  резистори складної форми - Кф >= 10

  •  а) Г-образні:
  •  б) П-подібні :
  •  в) типу "меандр"

Матеріал для резистивних плівок повинен мати високий питомий опір, малий ТКО, термостійкість, високу стабільність, високе відтворювання параметрів, добру адгезію, хімічну інертність до підложки і контактних плівок.

Для виготовлення низькоомних R використовують хром, ніхром (Ni+Cr), сплав МТЛ-3М (сплав Si+Cr+Fe+W).

Високоомні R - кермет (особливо SiO+Cr, відповідно 50% або 90% SiO).

9.1 Контактні плівкові сполучення і провідники

На місці контакту завжди є перехідні опори Rк, тобто мають місце окислення плівки і взаємна дифузія. Інакше весь струм сконцентрується у кромки площадки ,отже - перегрівання. Rк залежить від площадки переходу і питомого опору переходу.

Плівки що проводять повинні бути хімічно інертними, стабільними і володіти високою адгезією до плівки.

Щоб задовольнити цим вимогам застосовують двох і трьохшарові плівки для провідників і контактних площадок.

Перший шар (підшар) - активні метали - хром, ніхром - добре зчеплення з підложкою.

Основний шар - метал з високою провідною спроможністю (Сu, Al).

Захисний шар проти окислення - Ni, Al, Ag. Питомий опір таких провідників і контактних площадок 0.02 - 0.04 Ом/(одиницю площі). Мінімальна ширина провідників - 0.1 мм.

9.2 Конденсатори та Індуктивні котушки

Плівкові С можна виконувати у трьох варіантах: а) одношарові С=20 -1000 пФ (але можна і > 1000 пФ) б) багатошарові (або навісні дискретні) - повторюються шари, що проводять і діелектричні плівки (> 10000 пФ). в) гребінчасті - ємність утворюється за рахунок крайового ефекту (< 30 пФ).

Матеріал діелектрика повинен мати високу діелектричну проникливість, малий ТКЕ, хімічну стійкість. ТКЛР матеріалу діелектрика повинен бути рівний ТКЛР підложки (для усунення лінійних напруг).

Матеріали обкладинок С повинні володіти високою електропровідністю, доброю адгезією, хімічної стійкістю (звичайно це Al з товщиною 0.5 мкм, Al слабко випарюється, отже, мале число коротких замикань.

Sк звичайно<= 1.6 см кв (але в більшості випадків 1.. 5 мм кв).

Індуктивні котушки виконують у вигляді плоских спіралей з провідного матеріалу.


10. Способи для отримання плівкових елементів.

10.1. Спосіб вакуумного напилення.

Спосіб вакуумного напилення - основний спосіб для отримання тонких плівок (<= 1 мкм). Час напилення біля 1 - 2 хвил. Треба забезпечити:

  інтенсивне випаровування речовини;

  прямолінійний рух молекул речовини;

  рівномірне зростання плівки.

Достоїнства: простота і можливість одержувати чисті плівки завдяки вакууму.

Недоліки: недостатня рівномірність по товщині осадження плівок, мала адгезія плівки до підложки, інерційність випаровувача, труднощі забезпечення необхідного складу плівок при випаровуванні сплавів.

10.2. Іонне розпилення.

Іонне розпилення - засноване на руйнуванні матеріалу майбутньої плівки бомбардуванням іонізованими молекулами розрідженого газу. Вибиті атоми речовини, що розпорошується, осаджуються на підложці.

Переваги катодного розпилення у порівнянні з термовакуумним - краща адгезія (енергія атомів в 10-100 разів більше), можливість нанесення важко плавких матеріалів і сплавів, краща рівномірність властивостей плівки на підложці.

Недоліки :

  невисока швидкість осадження (не більш 2*10-6 см/хвил);

  підвищена забрудненість плівок молекулами залишкових газів (тобто високий тиск в камері і тривалий процес осадження);

10.3. Спосіб сіткографії.

Спосіб сіткографії - застосовується для виготовлення товстих (>=1 мкм) (=5...25 мкм) шарів різноманітних матеріалів.

Суттєвість полягає в нанесенні на підложку через сітчастий трафарет і наступному випалюванні в неї резистивних, що проводять, і діелектричних паст. Пасти - являють собою порошки скла з металевими або діелектричними матеріалами, що змішані в органічній рідині.

Трафарети являють собою сітку з сталі, що не ржавіє, (або нейлону) з дроту діаметром від 0.05 до 0.02 мм. Розміри осередків 0.15 - 0.06 мм. Сітка натягається на рамку.

Достоїнства: простота, дешеве обладнання, короткий цикл засвоєння у виробництві.

Недоліки: обмеження мінімальних розмірів контурів елементів, отже, менша точність їхнього виготовлення.

Окрім означених засобів використовується ряд інших.

Недоліки ГПМС - низька щільність компонування, висока вартість, мала надійність, неможливість виготовлення активних елементів.

Переваги: можливість отримання елементів з широким діапазоном номіналів, висока температурна стабільність.


11. Напівпровідникові ІС

Технологія виробництва діодів, транзисторів, інтегральних схем заснована на використанні напівпровідників: Si - кремній, Ge - германій, Se - селен, GaAs - арсенід галлія, GaP - фосфід галлія та інші. Напівпровідникові матеріали характеризуються питомим опором р=10^-3.. 10^9 Ом*см (між провідниками (металами) і діелектриками).

Для напівпровідників характерна кристалічна будівля молекул. Наприклад Si і Ge - тетраедр, що характерно для 4-х валентних елементів. Зв'язок між атомами - ковалентний (або валентний).

В хімічно чистому кристалі напівпровідника концентрація вільних електронів і дірок, що утворяться за рахунок розірвання валентних зв'язків між атомами, рівні між собою: ni=pi (i означає, що дана величина відноситься до власного напівпровіднику (intrinsic)).

(Наприклад, при кімнатній температурі для Ge: ni=2, 5*10^13 cм^-3 - Число вільних електронів 1 см куб. Враховуючи, що в кожному 1 см куб Ge знаходиться біля 4.4 *10^22 атомів, слідує, що один вільний електрон припадає на мільярд атомів речовини). (В Si: ni=1, 4*10^10 cм^-3 і приблизно 5*10^22 атомів/см куб).

Електричний струм при цьому утворений за рахунок одночасного переносу зарядів обох знаків. Така електроно-діркова проводимість називається власною проводимістю напівпровідника.

Наявність домішок змінює властивості напівпровідника, створюючи домішкову проводимість. Домішки, що викликають в провіднику збільшення вільних електронів, називаються донорними, а збільшення дірок - акцепторними. Процес введення домішки називається легируванням.

Донорні домішки, наприклад, P - фосфор, Sb - сурма, Bi - вісмут, As - миш`як. Напівпровідники, електропровідність яких підвищилася завдяки утворенню залишку вільних електронів при введенні домішки, називаються напівпровідниками з електронною проводимістю або n-типу.

Концентрація електронів у напівпровіднику n-типу: n=Nд+ni=Nд так як Nд >> ni, Nд=10^15 атом/см^3, де Nд - концентрація атомів донорної домішки. Nд (Si) =10^14... 10^20 атом/см куб, Pn << Pi, (звичайно Nд (Si) <=10^16, тобто в межах 0.0001% від загального числа атомів, інакше - напівметал); Nд (Si) =10^20 - для емітерних шарів.

Напівпровідники, електропровідність яких обумовлюється рухом дірок, називаються напівпровідниками з дірковою проводимістю або p-типу.

Концентрація дірок в напівпровідникові (НП) p-типу: Pp=Na+Pi=Na, так як Na >> Pi, Na=10^18 см^3, де Na - концентрація атомів акцепторної домішки, Np << Ni.

Розрізняють два випадки появи струму у напівпровідникові: струм, зумовлений зовнішнім електричним полем, називається дрейфовим струмом. Струм, що виникає в результаті дифузії носіїв з області, де їхня концентрація підвищена, в напрямку з більш низькою концентрацією, називається дифузійним струмом (нерівномірність концентрації може виникнути під чином світла, нагрівання, електричного поля і т. п.).

Основою більшості напівпровідникових приладів є p-n перехід або електронно-дірковий перехід - область, що поділяє напівпровідник на дві частині з різнотипною проводимістю.

Найбільш перспективний напрямок розвитку напівпровідникової технології заснований на створенні структур елементів всередині напівпровідникових кристалів.


12. Технологічні операції при виготовленні ІМС

Отримання кристалів та їхня обробка

Дискретні напівпровідникові елементи виробляються на основі Si і Ge, а ІС - тільки на Si. Ge для ІС не застосовується:

  із-за більшої чуттєвості до температури (енергія для утворення електронно-діркової пари Ge=0.77 еВ, а в Si=1.1 еВ);

  із-за того, що на поверхні Si легше створювати ізолюючі шари (SiO2), що застосовуються при формуванні рисунку (GeO2 при гексагональній формі розчинюється водою, а кубічну тяжко сформувати).

Основна трудність при отриманні кристалу - забезпечення його чистоти. Для збереження властивостей напівпровідників зміст домішки повинен лежати в межах 0.0001% (це для "корисної" домішки, а для шкідливих - у 10 - 100 раз менше).

Вхідним матеріалом є полікристалічний кремній, що одержують з кварцевого піску (SiO2). Заготівки з полікристалічного Si являють собою стрижні D 40 - 120 мм і довжиною 450 - 950 мм. Ступінь чистоти 98%. Полікристалічний Si не може бути використаний для виготовлення приладів, тобто має внутрішню зернисту структуру (кристали поділені міжкристалічними гранями), що рівноцінно наявності дефектів.

Для виготовлення напівпровідникових приладів використовують монокристал Si, що одержують з полікристалічного Si.

Найрозповсюдженішим способом отримання монокристала Si є спосіб Чохральского (=70% монокристалів виробляють цим способом).

Полікристалічний Si розколюється на шматки і завантажується в тигель, під дією нагрівача (високочастотного індуктора) розплавляється (t=1412 с). Монокристал-затравку опускають в розплав і не припускаючи її розплавлення піднімають її вверх при постійному обертанні навколо осі. При цьому матеріал розплаву осаджується на затравці і за рахунок охолодження при виході з розплаву кристалізується, повторюючи її кристалічну решітку і орієнтацію монокристала.

Швидкість вирощування - 10 - 60 мм/годину. Діаметр монокристалу 62.5; 78.5; 102.5 мм (до 250мм), і - до 250 мм.

Домішка вводиться в розплав шляхом додатку сильнолегованих гранул Si. Причому важкість - концентрація домішки в розплаві і кристалі різноманітні. Але так як у розплаві концентрація домішок більше (і корисних, і шкідливих), то цей спосіб можна розглядати, як спосіб очищення кристалу, або спосіб отримання чистого кристалу.

Іншим розповсюдженим способом очищення є спосіб зонної плавки, який також заснований на принципі витіснення домішок з кристалу в розплав. Вхідні стрижні полікристалічного Si заздалегідь шліфуються і зміцнюються (без затравлення). Частина стрижня нагрівається до температури плавлення. За допомогою безперервного пересування нагрівача (індуктора) вздовж стрижня пересувається зона розплаву. При цьому атоми домішки витісняються на межі фаз у розплав. Коли зона плавлення досягне іншого кінця стрижня, то в ньому концентрується більша частина домішок. Багаторазовим повторенням цього процесу або на основі застосування декількох зон плавлення, наступних один за одним, одержують Si такої чистоти, що дозволяє здійснювати зміну властивостей кристалу легируванням домішками. Зона домішок, що залишилася після кристалізації на кінці стрижня, відрізається, в наслідку чого залишається чистий полікремній. Швидкість - декілька мм/хвил.

Наступний технологічний процес полягає в перетворенні полікристалічного Si в монокристалічний. Цей процес може виконуватися способом Чохральского або закінчуватися водночас з зонною плавкою, якщо в кінець стрижня вплавляється монокристалічна затравка. Розплав, що затверджується, кристалізується у монокристал, починаючи з затравлення.

Легування домішкою досягається завдяки тому, що застосовують затравку, заздалегідь легировану домішкою. За допомогою розплавленої зони примісні атоми затравлення розповсюджуються рівномірно по всьому стрижню. Інший підхід полягає в подачі легуючого газу, атоми якого дифундують в розплав і при кристалізації впроваджуються в решітку.

Діаметр кристалу <= 125 мм. Кристали більш чисті (тобто немає тиглю).

В подальшому монокристал наражають на розпилення на пластини товщиною 200 - 300 мкм, на основі яких після цього виробляють напівпровідникові прилади. Але перед розпиленням кристал шліфують по діаметру, в наслідку чого одержується циліндр, на ньому паралельно осі кристалу знімається частина матеріалу, а по отриманій поверхні вимірюють розподіл опору по довжині стрижня (чи рівномірно легований стержень?). Отримана кромка служить також для юстировки.

Різка зливків може вироблятися:

  - за допомогою сталевих полотен - служить способом переносу абразивного порошку до місця різки;

  - за допомогою "алмазних дисків" - металевий диск з вкрапленими алмазними крихтами (частіше по внутрішній кромці).

При такій різці майже половина зливка втрачається.

Різка залишає на поверхні пластин нерівномірності глибиною 10 мкм, однак для подальшого використання необхідна шорсткість поверхні не більш 0.01 мкм. Тому пластини спочатку шліфують за допомогою мікропорошків, розмір зерна яких вибирається з кожним циклом все менш аж до 3 - 5 мкм. Сторони пластин шліфують по одній.

Після шліфовки залишаються нерівності в декілька мікрон, а також порушений після розпилення шар кристалічної решітки. Для усунення цих дефектів застосовується поліровка, найчастіше хімічна (травлення), тобто розчинення поверхневого шару за допомогою азотної і плавікової кислот. В результаті нерівності знижуються до рівня тисячних часток мкм.

Інколи хімічну поліровку комбінують з попередньою механічною з розміром зерна 0.1 - 0.3 мкм.

Крім того, пластини перед використанням неодноразово знежирюються - за допомогою ацетону, етилового спирту і т. п.

Напівпровідникові пластини, вирізані з монокристалу, в об`ємі і на поверхні яких в подальшому формуються елементи напівпровідникових приладів, називаються підложками.

При використанні підложок на їхній поверхні часто потрібно одержувати діелектричні покриття, в якості яких часто виступає окисне покриття (SiO2)


12.1 Отримання ізоляційних плівок Si

Оксид кремнію (SiO2) являє собою скловидне покриття, що володіє добрими ізоляційними властивостями. Найбільш добрими властивостями володіє SiO2, отриманий способом термічного окислення, при якому пластини Si нагрівають і окислюють за допомогою сухого або вологого кисню. Режим регулюється кранами (склад суміші). Температура нагрівання=1200 С. Швидкість зростання оксидної плівки - 0.2 мкм/година - для сухого і=1 мкм/година - для вологого кисню (більш низька щільність і пористість із-за наявності H2 і групи OH) - Si+H2O=SiO2 +H2. Оптимальна товщина плівки розраховується виходячи з врахування швидкості проникнення домішки через плівку SiO2 (наприклад, фосфор при t=1200С за 1 годину проникає через шар SiO2 з товщиною=0.8 Мкм) і міцності зчеплення SiO2 c Si (якщо плівка дуже товста, то при термічному розширенні можуть виникнути тріщини із-за відмінностей в температурних коефіцієнтах лінійного розширення SiO2 і Si). Звичайно товщина оксиду - десяті частки мкм (0.2... 0.8 мкм), а верхня межа для термічного окислення - 1... 2 мкм. При підвищенні тиску скорочується час вирощування плівок. Можна знизити t, перевага - менш дефектів Si. Наприклад, при t=1000С і P=2 МПА плівка товщиною 1 мкм вирощується за 10 хвил. (при використанні водяного пару).

Типова процедура:

  1. Сухий О2 (15).

  2. Оксидування у вологому О2 (2 години).

  3. Сухий О2.

Іншим способом ,що часто застосовуються, нанесення захисного шару є осадження SiO2. При цьому використовують реакцію:

SiH4 + O2 = SiO2 + H2O

Процес відбувається при t=200 - 350С (звідси виходить, що немає перерозподіл домішок в областях ,що сформувалися раніше). Швидкість осадження - до 0.1 мкм/хвил. (регулюється шляхом розбавлення силана інертним газом - аргоном). Недолік: токсичність та вибухонебезпечність силана. В якості діелектричного покриття також широко застосовується нітрид кремнію Si3N4. Володіє меншою проникливістю і тому його можна одержувати більш тонким, ніж SiO2 (<=0, 2мкм). Крім того, ці плівки вирощуються значно швидше і при більш низьких t C.

Реакція :

3SiN4 + 4NH4 = Si3N4 + 12H2

t = 700 - 1100 C.

3SiN4 - силан;

4NH4 - аміак;

1 частина силана на 20 частин аміаку в потоці водню перешкоджає передчасному розкладу силана). При товщині > 1 мкм Si3N4 починає тріскатися із-за високої пружності. Із-за цього інколи роблять попередній тонкий шар SiO2. При виготовленні напівпровідникових структур часто вимагається одержувати різноманітну структуру в захисному шарі шляхом його вилучення на окремих ділянках. Це здійснюється в процесах літографії. Основним з цих процесів є фотолітографія.


12.2 Фотолітографія

Фотолітографія - процес утворення на поверхні підложки локальних захисних ділянок плівки за допомогою світлочуттєвих матеріалів (фоторезистів). Операції технологічного процесу: після підготовки поверхні пластин на неї наноситься шар фоторезисту; сушиться (t=20 C - 25 хвил, t=100 C - 30 хвил); після цього виконується експонування фотошару через фотошаблон, прояв рисунку, в результаті чого утвориться захисна маска. Після цього виконується травлення незахищених ділянок SiO2 і зняття маски.

  Попередня обробка пластин полягає в промивці в ацетоні, етиловому спирті, тобто різноманітних розчинниках, а інколи - сірчаній або азотній кислоті.

  Розчин фоторезисту перед використанням фільтрують, а в особливо відповідальних випадках обробляють на центрифузі (10 - 20 тис. обертів/хвил на протязі декількох годин).

Для нанесення фоторезисту найбільш часто використовують спосіб центрифугування. Період формуванням фото шару 20 - 30 сек. Частота обертання - звичайно > 6000 обертів/хвил. Як правило застосовуються верстати з груповою обробкою пластин (наприклад, 12 пластин - АФФ-2). Спосіб центрифугування не застосовується для отримання товстих шарів (> 3 мкм). В плівках, отриманих центрифугуванням, існують внутрішні напруги. Інший спосіб нанесення - розпилення, при якому фоторезист розпорошується стислим повітрям. Форма "смолоскипу" регулюється. Товщина шару - 0.3 - 20 мкм. Дефектність плівок в 3 - 4 рази менша, ніж при центрифугуванні.

  Висушення фоторезисту: для повного вилучення розчинника з фото шару його сушать, звичайно в два етапу: при t=18-20 C 15-30хвил, а після цього - при t=90-100 С 30-60хвил. Як джерело випромінювання використовують інфрачервоне нагрівання.

  Перенос зображень.

Фотошаблон суміщається з кристалом таким чином, щоб межі осередків шаблону були перпендикулярні або паралельні базовому зрізу пластини. Це підвищує якість розламування пластини на окремі кристали (зв'язано з внутрішньою орієнтацією кристалу). Спочатку фотошаблон орієнтують по контрольних модулях (порожніх кристалах). Після цього заповнюють точне суміщення в межах модуля за допомогою спеціальних знаків суміщення.

  Експонування.

Після суміщення пластину притискають до фотошаблону і експонують фото шар. В якості джерел світла застосовують ртутно-кварцеві лампи, що створюють світловий потік до 18000 лм. Випромінювання захоплює ультрафіолетову область (небезпечно для очей). Вимога - рівномірність освітлення всієї пластини.


  1. Геометрична компоновка - вибір форми, розмірів, взаємного розташування та засобів переміщення елементів конструкції відносно один одного. Оптимальна ГК забезпечує високу швидкодію ЕОМ.

  2. Схемотопологічне проектування - компоновка и трасування друкованих плат (ДП).

  3. Забезпечення завадостійкості,теплового режиму,надійності, захисту від зовнішніх впливів, зручність в експлуатації (ергономічність)

12.3 Отримання структур способом дифузії

Метою проведення дифузії є впровадження атомів легуючого елементу в кристалічну решітку напівпровідника для утворення області з протилежним по відношенню до вхідного матеріалу типом електропровідності. Знов утворена область обмежується p-n-переходом. Дифузія атомів що домішані в твердому тілі відбувається внаслідок хаотичного теплового руху молекул в напрямку зниження їхньої концентрації. p-n-перехід утвориться на глибині Xпер, де концентрація введеної домішки виявляється рівною концентрації вхідної домішки Nисх. Розміри дифузійної області в плані визначаються розмірами вікна в шарі SiO2, тобто швидкість дифузії в SiO2 на декілька порядків нижче, ніж в Si. із-за того, що дифузія іде і в напрямку y, z, бокові стінки p-n-переходу завжди розміщені під шаром SiO2, а розмір дифузійної області одержується більше розмірів вікна. Але звичайно дифузію розглядають як одновимірну.

Способи проведення дифузії. Дифузію виконують при температурі 1100 - 1300 С. Нижче 1000 С дифузія мала і, отже, глибина незначна. Вище 1300 С якість дифузійних шарів незадовільна внаслідок порушення поверхні пластин під чином температури. Дифузійні процеси проводять в закритій або відкритій трубі. "Відкрита труба" отримала більш широке розповсюдження і означає, що вихідний кінець дифузійної труби спілкується з атмосферою. Через нього в зону дифузії завантажують кремнієві пластини. Щоб звести до мінімуму забруднення з атмосфери, над виходом труби встановлюють витяжну систему. Вхідний кінець дифузійної труби служить для подання газу носію (N2, Ar, O2). Дифузант (ВСl3) вводять в вигляді пару або газу в газ-носій (О2), що не дифундує в Si.

Варіанти печей для проведення дифузії:

  Однозонна піч з джерелом рідкого дифузанту.

  Двозонна піч для дифузанту з твердих джерел.

  Однозонна піч для дифузанту з твердих джерел (бокс спосіб).

12.4 Дифузанти.

Дифузанти бувають газоподібні, рідкі, тверді. Акцепторні домішки: бор, галлій, індій (B, Ga, In) - p-типу. Донорні домішки: фосфор, миш`як, сурма (P, As, Sb) - n-типу.

Найбільш розповсюдженим джерелом P з твердого дифузанту є P2O5 (пентаоксид фосфору). Між Si і P2O5 відбувається хімічна реакція:

P2O5+Si=SiO2+P, що утворить склоподібне покриття пластина, з якої відбувається дифузія. "Загонка домішки" - 1-й етап (=30 - 40 хвил) 2 - 3 мкм, 2-й етап - "розгін" - перерозподіл домішки (t=800 - 10000 С, супроводжується вирощуванням SiO2). Приблизно 1.5 години. Рідке джерело P є POCl3 (оксихлорид фосфору) - Механізм дифузії аналогічний,тобто рідкі джерела реагують з О2, відтворюючи P2O5 (POCl3+O2=P2O5+Cl2). Газоподібним джерелом Р є фосфін PH3. PH3+O2=P2O5+H2O P2O5 - на поверхні Si при "загонці". Джерела Бора (В): твердий - В2О3 - борний ангідрид, рідкий - ВВr3 - трьохбромистий бор, BBr3+O2=B2O3+Br3 B2O3+Si=SiO2+B. Газоподібний - BCl3. Або: діборан B2H6: B2H6+O2=B2O3+H2O. Глибина дифузії - 4 мкм.. 100 мкм. Недоліки: висока температура процесу призводить до перерозподіл домішки в областях ,що сформувалися раніше і зміщенню p-n-переходів, що ускладнює відтворювання окремих елементів.

12.5 Елементи напівпровідникових ІМС.

Дифузійні транзистори ІМС діляться на планарні, планарно-епитаксиальні і мезатранзистори. Планарний транзистор (plane - площина) - відрізняється тим, що всі шари, що відповідають емітеру, базі і колектору, виходять на одну поверхню.


Послідовність виготовлення планарного NPN транзистора.

  Оксидування поверхні заготівлі (Si p-типу).

  Фотолітографія (розкриття вікон в оксиді).

  Дифузія домішок n-типу і повторне оксидування.

  Фотолітографія.

  Дифузія домішок p-типу і повторне оксидування.

  Фотолітографія.

  Дифузія домішок n-типу і повторне оксидування.

  Фотолітографія і формування виводів - напиленням плівки алюмінію (Al має добру адгезію з Si і SiO2). Після металізації (0.1 - 1 мкм) видаляється зайвий метал (травленням) і одержується необхідна форма контактних площадок. (Застосовується і напилення через маску).

Недолік - Iк переборює довгу дільницю дна колекторної області (під дном бази), що має малі поперечні розміри. В дифузійному колекторі концентрація домішок розподілена нерівномірно: вона max на поверхні і min на дні колектора. Тому шар колектора під базою має високий опір, що збільшує напругу насичення і час переключення транзистора.

12.6 Епітаксія.

Епітаксія - це процес осадження атомарного Si на монокристалічну Si пластину, при якому одержують плівку, що є продовженням структури пластини. Практичне значення має випадок, коли легована епітаксіальна плівка вирощується на легованій пластині. При застосуванні в пластині і в плівці що вирощується на межі їхнього розділу утвориться p-n-перехід. На відзнаку від дифузії, при якій p-n-перехід утвориться в результаті перекомпенсації впливу вхідної домішки і утворення області з більш високою концентрацією домішки, епітаксія дасть можливість одержувати шари в широкому діапазоні питомих опорів, не що залежать від опору вхідної пластини.

Відомі три групи процесів епітаксії:

  1. Автоепітаксія - це процес орієнтованого наростання кристалічної речовини, однотипної по структурі з підложкою, що відрізняється від неї тільки вмістом легованих домішок (Si на Si).

  2. Гетероепітаксія - це процес що орієнтованого наростання речовини, що відрізняється по складу від речовини підложки, що відбувається при їхній кристалохімічній взаємодії (наприклад, на сапфірі).

  3. Хемоепітаксія  - це процес орієнтованого наростання речовини, в результаті якого утворення нової фази відбувається при хімічній взаємодії речовини підложки з речовиною, що надходить з зовнішньої середи. Отриманий хемоепітаскіальний шар відрізняється по складу як від речовини підложки, так і від речовини, що надходить на її поверхню.

Існує три основні технологічні способи епітаксії:

  1. Молекулярно-променева епітаксія з молекулярних пучків в вакуумі.

  2. Газофазна епітаксія за допомогою хімічної взаємодії речовини в газовій або парогазовій суміші, що називається газовою або хімічною епітаксією.

  3. Рідкофазна епітаксія в рідкій фазі шляхом рекристалізації з розплаву або розчину-розплаву.

  1. Епітаксія з молекулярних пучків в вакуумі є процесом прямого переносу речовини. Речовина-джерело в високому вакуумі під впливом електронного пучка або за допомогою розігріву випаровується, створюючи потік молекулярних часток, що досягають підложки без проміжних взаємодій.

  2. При кристалізації з газової фази за допомогою хімічної взаємодії атоми напівпровідника переносяться в склад хімічного сполучення, що дисоціює на підложці, визволяючи атоми напівпровідника або його молекули.

  3. Рідкофазна епітаксія полягає в нарощуванні монокристалічного шару напівпровідника з розплаву або розчину-розплаву, насиченого напівпровідниковим матеріалом. Напівпровідник епітаксіально кристалізується на поверхні підложки, що вантажиться в розплав, при його охолодженні. Як розчинник використовують будь-який метал, що володіє необмеженою розчинністю з напівпровідником в рідкому стані, наприклад, Ga, GaAs, GaP.

Серед найбільш розповсюджених засобів нарощування епітаксіальних шарів Ge і Si основними є відновлення і піролітичний розклад.

При відновленні застосовують тетрахлорид Si (SiCl) або тетрабромід Si (SiBr4).

SiCl4+H2=Si (осадок)+HCl при t=1200 C

SiBr4 + H2 = Si(осадок) + HBr при t = 1050 C

Для піролітичного розкладу застосовують силан SiH4:

SiH4 = Si(осадок) + H2 при t = 1000 C

Процес епітаксіального нарощування при хлоридному засобі складається з наступних операцій:

  1. Завантаження пластин в реактор.

  2. Продувка реактора інертним газом (N2 видаляє повітря).

  3. Нагрівання пластини до 1200 С і подача Н2 і НСl з метою очищення пластин (Н2 видаляє оксидні плівки, HCl - травлення верхнього шару).

  4. Подача SiCl4 для осадження і легирування епітаксіальних шарів.

  5. Припинення подачі SiCl4, продувка воднем.

  6. Виключення нагрівання, продувка воднем і інертним газом.

  7. Розвантаження реактора.

Найбільше розповсюдження отримав хлоридний спосіб епітаксії. Достоїнства - простота і доступність вхідних матеріалів.

SiCl4 + 2H2 = Si + 4HCl при t = 1200 С

Іноді використовують трихлорсилан :

SiHCl3 + H2 = Si + 3HCl

Товщина епітаксіальної плівки - 1 - 25 мкм.

Інший варіант - епітаксіально-планарна структура з прихованим шаром. Тут епітаксіальний колектор легують помірно, а малий опір колектора забезпечують паралельно включеним шаром (n+), що має високу концентрацію домішки.


  а) Вхідна пластина.

  •  Розкриття вікон під дифузію прихованого шару.
  •  Дифузія n+-домішки.
  •  Травлення оксиду.
  •  Епітаксіальне нарощування n-шару.

  б) Оксидування пластини

  •  Фотолітографія.
  •  Розділова дифузія р-домішки на всю глибину епітаксіального шару і повторне оксидування.

  в) Фотолітографія.

  •  Дифузія домішок p-типу і повторне оксидування.

  г) Фотолітографія.

  •  Дифузія домішок n+-типу і повторне оксидування.

  д) Фотолітографія і формування виводів - напиленням плівки алюмінію (Al має добру адгезію з Si і SiO2).

  •  Після металізації (0.1 - 1 мкм) видаляється зайвий метал (травленням) і одержується необхідна форма контактних площадок. (Застосовується і напилення через маску).

12.7 Ізопланарна структура.

Донна частина колектора ізольована від монокристалічної пластини p-n-переходом, а бокова - товстим шаром оксиду. Аналогічна епітаксіально-планарній, а розділова дифузія заміщена скрізним оксидуванням.

  •  а) Вхідна пластина.
  •  Розкриття вікон під дифузію прихованого шару.
  •  Дифузія n+-домішки.
  •  Травлення оксиду.
  •  Епітаксіальне нарощування n-шару.
  •  Осадження нітриду кремнію Si3N4.
  •  б) Фотолітографія.
  •  Травлення Si, формування мезаобластей ("Меза - геологічний термін - столова гора, тобто гора з плоскою вершиною).
  •  в) Скрізне оксидування на всю глибину епітаксіального шару.
  •  д) Вилучення нітриду кремнію Si3N4
  •  Оксидування підложки.
  •  Фотолітографія.
  •  Дифузія домішок p-типу і повторне оксидування.
  •  Фотолітографія.
  •  Дифузія домішок n+-типу і повторне оксидування.
  •  Фотолітографія і формування виводів - напиленням плівки алюмінію (Al має добру адгезію з Si і SiO2).
  •  Після металізації (0.1 - 1 мкм) видаляється зайвий метал (травленням) і одержується необхідна форма контактних площадок
  •  (Застосовується і напилення через маску).


Недолік - необхідність тривалого Оксидування, що може викликати небажане пере розподілення домішки з прихованого шару в епітаксіальний колектор.



13. МДП - технологія

МДП - метал-діелектрик-напівпроводник.

Якщо Д=SiO2, то МОП (метал-оксид-напівпроводник).

Етапи виготовлення МОП - транзистора.

Вхідна пластина SiO2.

  1. Травлення вікон в діелектрикові, дифузія областей витоку (И) і стоку (C), Оксидування.

  2. Травлення вікон.

  3. Формування оксидного шару під затвором (важлива товщина цього шару, тобто вона визначає Uпор).

  4. Вилучення шару оксиду з дифузійних областей.

  5. Металізація всієї поверхні (Al).

  6. Часткове вилучення металу (формування виводів).

Порівняння n - і p - МОП.

Переваги n - МОП: рухомість електронів, що є носіями зарядів в n - МОП майже в 2.5 разів вище, ніж у дірок - носіїв в p - МОП. Отже, n - МОП більш швидкодіючі схеми, ніж p - МОП. Але p - МОП дешевше. Розглянемо схему інвертора:

Щоб забезпечити вихідну напругу рівно 0.2 В треба великий R (тобто Rис велике). Отже, R=20 - 100 кОм. Отже, більша площа в інтегральному виконанні шляхом дифузії. Тому R замінюють n-моп - транзистором. Такий транзистор займає=1/20 частину площі R.

Комплементарні МДП - структури (КМДП).

Структура, що містить МДП - транзистори обох типів, дозволяє на 2-3 порядки у порівнянні з n - або p - структурами знизити потужність, що споживається пристроєм в статичному режимі. Такі структури отримали назву структур на МДП-ТРАНЗИСТОРАХ ,що доповняють або комплементарних МДП - структур (КМДП - структури).

Послідовність операцій.

  а) вхідна пластина;

  б) послідовне отримання способом дифузії р+ і n+ областей;

  в) виборче травлення SiO2;

  г) термічне Оксидування Si (отримання під затворного діелектрику);

  д) виборче травлення SiO2 під контакти до витоків і стоків;

  е) готова структура після отримання міжз`єднань.


14. Травлення в літографії.

Застосовують процес вологого (хімічного) травлення в рідинах і сухого травлення в плазмі. Для травлення Si використовують ізотропне і анізотропне травлення. Ізотропне - травлять Si в усіх кристалографічних напрямках приблизно з однаковою швидкістю. Воно використовуються також для хімічного полірування Si. (H3PO4: HNO3: CH3COOH - 5 мкм/хвил [111]). Анізотропне - травлять Si в напрямках [100] і [110] з більш високою швидкістю, ніж в напрямках [111]. (КОН: Н2О - 8мкм/хвил [100], [110] - швидкість травлення в цих напрямках в 600 раз більше, ніж в напямку [111]; KOH: пропіловий спирт: Н2О - 1 мкм/хвил [100] - в [111] швидкість менш в 100 раз, процес припиняється на межі з р++ областю). При використанні анізотропного травлення Si орієнтують в площини (100). Анізотропні травителі розчиняють Si в площині (100) до тих пір, доки травлення не дійде до площин (111), що починаються у краю вікна в плівці SiO2 і що зустрічаються таким чином, що вони утворять V-образний профіль. Глибина V-образної канавки залежить від ширини вікна на пластині Si. Травлення припиняється, коли ділянки площини (100), що виходять на поверхню, стравлюються. Регулюючи час травлення можна змінювати профіль канавки від трапецеїдального до V-образного. Профіль фігури травлення залежить від орієнтації рисунку на площині (100).

Обмеження фотолітографії: основним фізичним явищем, що обмежує можливості фотолітографії, є дифракція, що залежить від довжини хвилі. Довжина хвилі випромінювання Д =250.. 440 нм (це ультрафіолетове випромінювання, до нього чутливий фоторезист). Мінімальна ширина лінії при фотолітографії:

_________

bmin = 1,5 \/Д*(z+h/2),

де
z - зазор між шаблоном і підложкою
h - товщина шару фоторезисту.

При h=0.8 мкм; z=0 => bmin=0.7 мкм. (Теоретично, межа дорівнює 0.3 - 0.5 мкм). В реальних умовах z > 0. Тому типовий граничний розмір елементу зображення дорівнює 1 мкм. Для сучасних ВІС і НВІС цього замало.


15. Перспективні способи літографії.

1.Елекронолітографія.

Електронтолітографія заснована на створенні зображення за допомогою пучка електронів.

  а) Довжина вільного стану електрона залежить від його енергії:
_________ ___ Д = h/(m*c) = h / \/ 2*m*e*U = 1,24 / \/ U
с - швидкість, е - заряд (1,6*10^-19 Кл),
м - маса електрона (9,1*10^-28 г),
U - напруга електричного поля ,що прискорює,
h - постійна Планка (6,62*10^-34 Вт*с).
Наприклад, при U=15кВт Д=0, 01нм (типове=0.05).

  б) Доп. особливість: електрон на відзнаку від фотона несе заряд, що дозволяє формувати і відхиляти пучок електронів за допомогою електромагнітних полів, тобто засобами електронної оптики. Можна відмовитися від шаблонів і вибірково експонувати резист шляхом сканування гострозфокусованого електричного променя з включенням і виключенням по заданій програмі.

  в) Енергія кванту світла Е=hc/Д, а при проходженні різності потенціалів що прискорить U енергія електрона:

Ее = m*c + e*U. При U = 15 кВ Ее = 8,33*10^-14 Дж (це приблизно 100000 раз більше енергії кванту світла). Така висока енергія випромінювання дозволяє застосовувати спеціальні чутливі полімерні склади - електронорезисти (їхня дозволяюча спроможність становить більше в 2-3 рази, ніж фоторезистів). Гранична ширина лінії при електронолітографії=0.05 мкм. Практично з допомогою електронолітографії одержують елементи з min шириною 0.2 - 1 мкм. Пристрої електронолітографії бувають скануючими і проекційними.

2.Рентгенолітографія.

При рентгенолітографії зображення на підложку переноситься з рентгеношаблона за допомогою рентгенівського випромінювання. Використовуються рентгенорезисти. Автоматичне суміщення шаблону з пластиною. Межа min ширини лінії=10 нм.

Можливі 2 напрямки:

  1) Випромінювання з l=0,4 - 1,3 нм - розміри елементів - 0.5 - 1 мкм;

  2) Синхронне випромінювання з l=1 - 2,5 нм, розміри - 0.05 - 0.5 мкм.

Рентгеношаблон - основа - мембрани з Si товщиною 5 мкм, а малюнок - з золота 0.3 - 0.5 мкм (не пропускає промені).

3. Іонно-променева літографія.

Використовується іонний пучок для формування зображення. l=0.05 - 0.1 нм - довжина хвилі випромінювання іонів. Принцип той же, що і в електронолітографії. Але іони володіють більшою масою, ніж електрони, і тому при взаємодії з резистом менш розсіюються. Так як іони краще засвоюються, то дифракцію можна зменшити. Min ширина лінії - 0.04 мкм.

4. Іонна імплантація (легирування)

Іонна імплантація - це процес впровадження в твердотільну підложку іонізованих атомів домішки шляхом її бомбардування. Іони легуючого елементу утворяться в плазмі дугового розряду, створеного в газорозрядній камері, робочої речовини. В мас-аналізаторі відбувається виділення потрібних іонів. В області електромагнітного аналізатору іони рухаються по траєкторіях що є колами, радіуси яких для іонів різної маси різноманітні. За допомогою щілинної діафрагми виділяються іони легуючого елементу. Виділений потік іонів влучає в прискорювач, фокусується і з високою швидкістю бомбардує поверхню матеріалу що легується. При впровадженні в мішень іони в результаті зіткнень з атомними ядрами і електронами втрачають свою енергію і зупиняються. Довжина шляху іонів від поверхні мішені до точки впровадження називають довжиною пробігу. Розподіл пробігу іонів залежить від їхньої енергії і атомної маси, а також речовини мішені. Для монокристалів на розподіл пробігу впливає орієнтація їхніх граней відносно пучка іонів і наявність ефекту каналування - рух іонів по каналах, утворених атомними площинами./p> Розподіл концентрації іонів в мішені:

  •  1 - для канализируваних іонів;
  •  2 - для ідеально канализируваних іонів;

Таким чином ефект канализируваних іонів дасть можливість одержувати більш глибокі леговані шари. Глибина імплантованого шару: 0.1 - 0.4 мкм.

Побічний ефект: при впровадженні в кристалічну підложку іони наражаються на електронні і ядерні зіткнення. Ядерні зіткнення призводять до зміщення атомів підложки, звідси - радіаційні дефекти. Виникають області з порушеною кристалічною решіткою, аж до переходу монокристалу в аморфний стан. Такі дефекти усувають шляхом обпікання при t=400 - 700 C (на протязі десятків хвилин). При цьому впроваджені і зміщені атоми набувають рухомість, достатню для переходу в вакантні вузли і впорядкування порушеної структури.

Переваги іонної імплантації у порівнянні з дифузією:

  •  1. Більша гнучкість в управлінні концентрацією домішки.
  •  2. Низька температура процесу імплантації (аж до 25 С).
  •  3. Мала бокова дисперсія домішок.
  •  4. Висока швидкість процесу (хвилини).


Недоліки:

  •  1. Мала глибина залігання p-n-переходів.
  •  2. Складність і висока вартість обладнання.
  •  3. Високі вимоги до якості поверхні.
  •  4. Необхідна термічна обробка пластин.

Іонна технологія використовується в МОП - схемах, тобто розроблена вже після розробки технології біполярних елементів. Але якщо все ж застосовується для біполярних елементів, то в процесах формування емітерів і баз в тонких епітаксіальних шарах.

Способи переносу зображень:

  •  - контактний спосіб - забезпечує можливість отримання елементів розмірами 2 мкм на полях 100х100.. 200х200 мм. Проблеми забезпечення щільного контакту по всій площі (практично неможливо це забезпечити, в результаті - оптичні викривлення і зміщення рисунку елементів).
  •  - проекційний спосіб - фотошаблон і пластина розміщені на значній відстані.

Може бути :

  •  - одночасна передача всього зображення;
  •  - по елементне (шагове) експонування.

Можна зі зменшенням (збільшенням) розмірів елементів. Особлива вимога до площинності підложки (тяжко забезпечити).
Тяжко створити об'єктив.
Розміри елементів - до 1 мкм на полях 100х100 мм. Оптимальний варіант - відстань між підложкою і фотошаблоном - 10.. 20 мкм. Зводяться до мінімуму дифракція і малі нелінійні викривлення в щілині. Проблема - складне обладнання.


16. Технологія виробництва друкованих плат

16.1 Вступ

ЕОМ будується з використанням ІМС та ін. електронних елементів. Найкращий варіант їхнього використання - це об'єднання всіх функціональних приладів в одне ціле. Але це рішення в нинішній час ані технічно неможливо виконати, ані економічно невиправдане. Тому пристрій потрібно розбивати на невеликі конструктивні одиниці. Основною конструктивною одиницею ЕОМ є вузол, зібраний на базі плати.

ІСТОРІЯ: спочатку на плати встановлювались елементи і з'єднувалися між собою окремими провідниками - провідний, навісний, об`ємний монтаж.

З 1952 р. В промисловості знаходять застосування друковані плати (ДП), які згодом зайняли домінуюче положення при виробництві електронних приладів.

1906 р. - Едісон описав спосіб виготовлення провідників на ізоляторі за допомогою металевого провідника.

1927 р. - К. Тевежинкен - полоси латунної фольги (провідники) наклепувалися на ізоляційну основу разом з елементами.

30-і роки - Германія - за допомогою трафаретної печаті на керамічні підложки наносили пасти металевого порошку (на основі срібла), що після сушки в процесі обпікання затверджувалися і спікалися. Звідси пішов термін "друковані плати".

1925 р. - США, Ф. Т. Гармон - описана техніка травлення, дороблена П. Айспером в 40-х роках.

16.2 Основні поняття.

ДРУКОВАНА ПЛАТА - це сполучення ізоляційної основи і металевих шарів, що служить для електромонтажу елементів і вузлів, а також для їхнього механічного закріплення. Друкована плата з встановленими на ній елементами називається печатним вузлом. Система металевих сполучень у вигляді ділянок металевого покриття (друкованих провідників) називається печатним монтажем.

ПРОВІДНИЙ РИСУНОК - рисунок ДП, утворений провідниковим матеріалом.

ПРОВІДНИЙ ШАР - провідний рисунок, що лежить в одній плоскості.

МІЖШАРОВЕ З'ЄДНАННЯ - дільниця провідникового матеріалу,що входить до рисунка ДП, призначена для електричного з'єднання провідних рисунків на різних шарах ДП.

Деякі переваги ПЕЧАТНОГО МОНТАЖУ у порівнянні з об'ємним:

  1.Значне підвищення щільності монтажних з'єднань.

  2. Стабільна повторюваність параметрів виробів.

  3. Можливість підвищення електричних навантажень в колах.

  4. Підвищення надійності та якості апаратури.

  5. Можливість мікромініатюризації апаратури.

  6. Висока продуктивність та низька собівартість монтажу.

  7. Можливість комплексної автоматизації виробництва електронної апаратури.

16.3 Типи ДП

В залежності від числа провідних шарів ДП поділяються на односторонні (ОДП), двосторонні (ДДП) та багатошарові (БДП).

ОДП являє собою діелектричну основу, де на одній із сторін виконано провідний рисунок. На іншій стороні ОДП при складанні вузла розміщують елементи.

ОДП без металізованих отворів (переваги - простота та дешевизна у виготовленні).

ОДП з металізованими отворами (за допомогою пістонів та наявності зенківки - велика надійність).

ДДП мають провідний рисунок на обох сторонах основи. Необхідні з'єднання з навісними елементами виконують за допомогою металізованих отворів та контактних площадок. Такі ДП дозволяють реалізувати більш складні схеми та мають найбільш широке застосування.

ДДП на металевій основі (велика витривалість до перепаду температур, бо коефіцієнти лінійного розширення матеріалу підложки та металізованого отвору приблизно рівні).

БДП складаються з шарів ізоляційного матеріалу та провідного рисунка, що чергуються. Існує декілька видів БДП, що відрізняються конструктивно-технологічними параметрами (будуть розглянуті далі).

ДП можна поділити на жорсткі та гнучкі.

ГНУЧКІ ДП (ГДП) використовуються для електричного з'єднання вузлів, конструкція яких виключає застосування жорстких ДП. ГДП мають еластичну основу та виконуються, як правило, двосторонніми з металізованими отворами та контактними площадками для паяння навісних елементів. (товщина плат <=0, 6 мм).

Гнучкі друковані кабелі (шлейфи) - складаються з одного або декількох непровідних шарів, на яких розміщені друковані провідники. Застосовуються для з'єднань вузлів та блоків.

Існують провідні плати, що являють собою поєднання ДДП, на якій виконано постійний провідний рисунок схеми (контактні площадки, шини землі та живлення), з провідним монтажем. (Застосовуються у експериментальних роботах).

16.4 Матеріали для виготовлення ДП.

Для виготовлення ДП застосовуються в основному фольговані діелектрики, що являють собою шарові пресовані пластини, вкриті з однієї або з двох сторін мідною фольгою.

Тип діелектрика ,що застосовується визначає основні властивості готових ДП. Найважливішими вимогами до діелектричних матеріалів є:

  - гарні діелектричні властивості;

  - висока механічна міцність;

  - гарна термостійкість;

  - гарна хімічна стійкість та ін.

Діелектрики, що застосовуються для виготовлення ДП, складаються з наповнювача та зв'язуючої речовини (синтетичної смоли). За типом матеріалу наповнювача діелектрики поділяються на гетинакс (папір), скло - текстоліт (склотканина), текстоліт (бавовняно-паперова тканина), скломат (скловолокно). Як зв'язуюча речовина застосовуються головним чином епоксидна та фенольна смоли. Наприклад, широке розповсюдження отримали: - гетинакс марки ГФ, що являє собою спресовані шари електроізоляційного паперу, просочені фенольною смолою; - склотекстоліт марки СФ, що являє собою спресовані шари склотканини, просочені епоксифенольною смолою зі змістом смоли 40%. Як провідний матеріал головним чином використовується мідь зі ступенем чистоти 99.5% та товщиною 5; 20; 35; 50 мкм або 5; 17.5; 35; 50; 70; 105 мкм (за кордоном). Поверхня міді, що прилягає до електроізоляційної основи, має оксидований гальваностійкий шар, що покращує зчеплення фольги та діелектрика. Ці вимоги можуть бути виконані, якщо у свердлильних станках стукання свердла не перевищує 0.02 мм, а відхилення від перпендикулярності осі шпинделя та базової поверхні стола складає <=0, 01 мм. (верстати С -106, С -155, 2М103П).

16.5 Утворення монтажних та перехідних отворів.

Два способи: пробивка та свердлення.

Монтажний отвір ДП - отвір, що використовується для з'єднання виводів навісних елементів з ДП, а також для будь-якого електричного з'єднання до провідного рисунку.

Перехідні отвори ДП передвизначені для створення електричних зв'язків між шарами ДП.

Отвори можуть бути металізованими та не металізованими. Металізований отвір - це отвір у ДП, що має на стінках провідниковий матеріал.

ПРОБИВКУ отворів застосовують в тих випадках, коли отвори в подальшому не металізуються. Для поліпшення якості отворів, що пробиваються та збереження фольги діелектрика від ушкоджень між знімачем штампу та заготовкою розміщують прокладку з картону, що забезпечує рівномірний притиск матеріалу в зоні пробивання. Зменшенню зусилля та підвищенню чистоти пробивання допомагає попередній нагрів заготовки до 80-100? C.

Переваги - висока продуктивність.

Недоліки - труднощі задоволення вимог до якості отворів під металізацію. Стінки таких отворів п. б. рівними, без шпар, тріщин, зколів й т. п. Необхідно виключити відшаровування мідної фольги від діелектрика, "цвяховий ефект" (розплющення торців контактних площадок).

СВЕРДЛЕННЯ забезпечує необхідну якість отворів та їх високу точність.

Dсв, як правило, п. б. на 0.1 - 0.15 мм більше ніж Dн (номінальний діаметр металів. отвору) - для компенсації пружності діелектрика та товщини наступної металізації у отворі.

Граничні відхилення центрів отворів відносно вузлів координатної сітки ДП не п. перевищувати +0.2 - 0.2 мм, а для БДП - <=0, 1 мм. Шорсткість стінок отворів <= 40 мкм (ГОСТ 23664-79).

Свердлити необхідно підложку з генитакса з товщиною 0.8 - 1.5 мм. При свердленні заготовки БДП підложки рекомендується застосовувати з двох сторін.

Отвори D >=2, 5 мм сверляться в два прийоми: спочатку свердлом 1.5 - 1.8 мм, а після цього воно розсвердлюється.

Нерівності, що утворюються при свердленні, як правило знищують механічною зачисткою або електрохімічним поліруванням.

Свердлення отворів виконується на верстатах з ЧПК, що забезпечують достатньо високу продуктивність та точність.

Недоліки свердлення: при свердленні відбувається наволакування розмякшеної смоли на мідні кромки контактних площадок, що заважає наступній металізації. (Очищення виконується гідроабразивним способом - найефективніший спосіб).

Можна також: свердлення у воді або наступне розсвердлювання.

Основні конструктивні та технологічні параметри ДП

(ГОСТ 10317-79,23751-86,11284-75).

  (1).ГЕОМЕТРИЧНА ФОРМА. ДП звичайно мають прямокутну форму. Рекомендоване співвідношення сторін: 1: 1.1: 3.2: 3.2: 5. (ГОСТ10317-79). Відхилення від прямокутності ДП не повинно бути >0. 2мм на 100мм довжини.

  (2).ГАБАРИТНІ РОЗМІРИ. Розміри кожної сторони ДП повинні бути кратними (ГОСТ 10317-79): 2.5 - при довжині до 100мм;
5.0 - при довжині до 350мм;
10.0 - при довжині більш ніж 350мм;
Максимальний розмір будь-якой з сторін повинен бути не більш ніж 470мм.

  (3).ЧИСЛО ШАРІВ. Бувають односторонні (ОДП), двосторонні (ДДП) та багатошарові ДП (БДП). Число шарів БДП може бути 20 й більше.

  (4).ТОВЩИНА ДП. Номінальний розмір товщини заготовки ДП слід вибирати рівним 0.8; 1.0; 1.5; 2.0; 2.5; 3.0 мм: Нп = Нм + hф,(ОДП);
Нп = Нм + 2hф,(ДДП);
Нп = S Нс + (0.6:0.9) S Нпр,(БДП).
де:
Нп - товщина заготовки ДП,
Нм - товщина основи,
hф - товщина фольги,
Нс - товщина шару БДП,
Нпр - товщина прокладки,
S - знак суми.

Товщина БДП визначається кількістю шарів прокладок та технологією їхнього склеювання.

  (5).КРОК КООРДИНАТНОЇ СІТКИ. Основний крок дорівнює 2.5 мм. Додаткові - 1.25 мм або 0.5 мм (ГОСТ 10317-79). Центри монтажних та перехідних отворів повинні розташовуватися у вузлах координатної сітки. Осі провідників рекомендується суміщати з лініями координатної сітки.

  (6).ДІАМЕТРИ ОТВОРІВ. Діаметри монтажних та перехідних отворів (металізованих та не металізованих) приймають з ряду: 0.4-1.3; 1.5-1.8; 2.0-2.2; 2.4-2.8; 3.0 мм (від 0.4 по 3.0 мм з кроком 0.1 мм окрім 1.4; 1.9; 2.3; 2.9 мм). (ГОСТ 10317-79).

Граничні відхилення діаметрів отворів повинні відповідати означеним в табл. 2 (з МВ). (ГОСТ 23751-86).

Номінальні розміри наскрізних отворів під кріпильні деталі приймають у відповідності з табл. 3 (ГОСТ 11284-75) - з МВ.

  (7).РОЗМІРИ ЕЛЕМЕНТІВ КОНСТРУКЦІЙ (класи точності). Найменші номінальні розміри елементів конструкції ДП в залежності від класу точності наведені в табл. 1 (МВ).

Для вільного місця означені значення допускається встановлювати за будь-яким більш низьким класом, а для першого класу - збільшувати в 2 рази.

Ширину печатного провідника вибирають в залежності від струмового навантаження. Допустиме струмове навантаження... (далі по МВ).

Друковані провідники рекомендується виконувати однакової ширини на всьому їхньому протязі. У вузьких місцях, наприклад, між двома сусідніми монтажними отворами, слід звужувати провідники до мінімальних допустимих значень та прокладати їх перпендикулярно осі, що з'єднує центри отворів.

16.6 Виготовлення оригіналів та фотошаблонів рисунків печатної плати

ОРИГІНАЛОМ ДП називають графічне зображення елементів рисунка печатної плати, виконане, як правило, в збільшеному масштабі та призначене для отримання фотошаблонів.

ФОТОШАБЛОН ДП (ФШ) - графічне зображення елементів рисунка ДП, виконане в натуральному розмірі на фотопластинах або фотоплівці та призначене для використання в технологічному процесі виготовлення ДП.

В залежності від призначення фольговані діелектрики можуть бути односторонніми або двосторонніми та мати товщину від 0.06 до 3.0 мм. Вони постачаються у вигляді листів розмірами 500x700мм. За кордоном - товщина 0.03 - 6.25 мм.

Спеціальні матеріали для фольгування: нікель, алюміній, берилєва бронза, сталь та ін.

ПРИКЛАДИ: ГФ-1-35 - гетинакс, облицьований з одного боку мідною електролітичною фольгою товщиною 35мкм.

ГФ-1-35Г - гетинакс, облицьований з одного боку гальваностійкою фольгою товщиною 35мкм.

ГФ-2-35 - гетинакс, облицьований з двох сторін електролітичною фольгою товщиною 35 мкм.

СФ-1 50 - склотекстоліт, облицьований з двох сторін електролітичною фольгою товщиною 50мкм.

Не фольговані діелектрики мають на поверхні спеціально нанесений адгезівний шар товщиною 50-100мкм, що служить для кращого формування провідного рисунка. При виробництві таких діелектриків в смолу, що пропитує, вводяться мілко дисперсні каталізатори (сприяють кращій адгезії хімічно осадженої міді).

Виготовлення фольгованого діелектрика:

  1.Підготовка діелектрика;

  2.Виготовлення фольги;

  3.Пресування листів.
(1).ПІДГОТОВКА ДІЕЛЕКТРИКА - з склотканини шляхом випалу видаляють парафін, просочують її смолою та сушать.
(2).Мідна фольга одержується електроосадженням міді на барабани зі сталі та титану, що обертаються.
(3).Збираються в пакети та пресуються в листи на гідравлічних пресах при t=160 - 180 C P до 7 МПА в Т=0.5 - 1 годину.

ВЛАСТИВОСТІ ДІЕЛЕКТРИКІВ: Поверхневий опір діелектриків при 40 С та відносній вологості 93% впродовж 4 доби повинен бути не менше ніж 10^10 Ом та відновлюється до вихідного значення через 1-2г. після знаходження матеріалу в нормальних умовах. Питомий об'ємний опір при тих же умовах повинен складати не менше ніж 5*10^11 Ом*см.

16.7 Виготовлення фотошаблонів

Для отримання робочих ФШ, що володіють високою стійкістю проти спрацювання при частому контакті з поверхнею ДП, необхідний точний еталонний ФШ. Т. я. еталонний ФШ використовується рідко, то при його виготовленні можна застосувати тонку світлочутливу емульсію. Рисунок на еталонному ФШ можна отримати прямим способом та способом пере зйомки.

ПРЯМИЙ: ФШ виробляється в натуральну величину за допомогою фотокоординатографа, що викреслює на емульсії тонкий рисунок зі зфокусованим світловим променем (при програмному керуванні).

Фотокоординатограф забезпечує допуск на розміри: від - 50 мкм до+50 мкм та R=10 ліній/мм. Цей спосіб застосовується для малосерійного та багатономенклатурного виробництва.

СПОСІБ ПЕРЕЗЙОМКИ: Спочатку виконують фото оригінал - креслення рисунка в збільшеному масштабі. Похибка в розмірах рисунка, що зменшується при перезйомці, знижується за рахунок зменшення зображення на ФШ.

При цьому застосовують координатограф (а не фотокоординатограф) з різцем для виготовлення великомасштабного фото оригінала та репродукційну камеру для зменшення перезйомки.

Масштаб рисунка на ФО Мо вибирається з двох співвідношень:

Мо >= Rш/Rо, Rш - дозвільна спроможність ФШ,


Rо - технічно здійснена дозвільна спроможність ФО,

Мо >= sigma_o/sigma_ш, sigma_ш - заданий допуск на ФШ


sigma_о - технічно здійсненний допуск на ФО.

ОСНОВА ФО - при виконанні на координатографі (лист скла, вкритий непрозорою легковидаляємою плівкою товщиною 50 мкм).

Різець координатографа нарізає контури рисунка, надрізані дільниці видаляються.


+ Ручний спосіб викреслювання
+ Липка стрічка.

16.8 Оплавлення покриття олово-свинець та гаряче олудження

Гальванічно нанесений металорезист олово-свинець має пористу структуру, матовий світло-сірий відтінок, швидко окислюється та втрачає спроможність до паяння, створює ефект навісання після травлення міді.

Для усунення цих недоліків використовують оплавлення покриття. При цьому поверхня перетворюється на гладку блискучу, захищаються бокові стінки від корозії, покращується спроможність до паяння. Ця операція є додатковою операцією контролю якості.

Оплавлення виконують зануренням у рідкий теплоносій або під дією інфрачервоного випромінювання. В першому випадку t = 230 C на час Т = 15 сек.

Товщина покриття повинна бути <= 15 мкм, інакше відбуваються великі напливи металу в отворах. Якщо при виробництві ДП не передбачене покриття їх металорезистом, то для поліпшення паяння застосовують гаряче лудження їхнього провідного рисунка за допомогою припою.

ДВА ВИДИ:

  (1).Нанесення на ДП припою в надлишковій кількості, вирівнювання його по поверхні провідного рисунка та видалення надлишків.

Нанесення - зануренням, наливом або хвилею розплаву. Вирівнювання та вилучення надлишків за допомогою центрифуг, ракелів, сіток й т. д.

  (2).Припой наноситься строго дозовано. Застосовують спеціальні пасти та пари валиків, що обертаються у розплавленому припої.

16.9 Способи виготовлення односторонніх та двосторонніх друкованих плат

Способи виготовлення ОДП та ДДП за принципом формування провідного рисунка поділяються на:

  - субтрактивні (subtratio (лат.)- віднімання), при яких провідний рисунок утворюється за рахунок вилучення провідного шару з дільниць поверхні, які утворюють непровідний рисунок (пробільні місця);

  - адитивні (additio-додання), при яких провідний рисунок одержують за допомогою нанесення провідного шару заданої конфігурації на діелектричну основу плат;

  - напівадитивні, при яких провідний рисунок одержують за допомогою нанесення провідного шару на основу зі заздалегідь нанесеним допоміжним провідним покриттям згодом видаляємим з пробільних місць;

  - комбіновані, що являють собою поєднання означених засобів.

16.10 Хімічний метод 

Цей спосіб в СНД називають просто хімічним, за кордоном -субтрактивним.

СУТЬ: В якості вихідного матеріалу використовуються діелектрики, що вкриті фольгою з однієї або двох сторін. На фольгу наносять рисунок схеми. Незахищені дільниці фольги видаляють шляхом травлення, в результаті чого одержується необхідний рисунок ДП.

Існують хімічний негативний та позитивний способи.

16.10.1 Хімічний негативний метод:

Технологічний процес при виготовленні ОДП та ДДП включає наступні операції:

  1.Різка заготовок та підготовка поверхні, виконання базових отворів. (ГФ, СФ).

  2.Отримання захисного рисунка схеми. В якості фотошаблону використовується негативне зображення провідного рисунка ДП.

  3.Травлення міді.

  4.Вилучення захисного рисунка.

  5.Виконання монтажних та перехідних отворів.

  6.Нанесення сплаву Розе (16%Sn, 32%Pb, 52%Bi) - для поліпшення паяння.

  7.Фінішна обробка (обробка контура, маркування. Контроль ДП, нанесення захисної лакової плівки).

16.10.2 Хімічний позитивний метод:

Послідовність операцій:

  1.Послідовність операцій:

  2.Отримання захисного рисунка на пробільних місцях. Використовується позитивний фотошаблон.

  3. Гальванічне нанесення металевого покриття (сплав олово-свинець).

  Вилучення захисного рисунка.

  5. Травлення міді.

  6. Виконання монтажних та перехідних отворів.

  7. Фінішна обробка (оплавлення+маркування...).

Достоїнства хімічного засобу (субтрактивної технології):

  1. Простий технологічний процес.

  2. Спосіб легко автоматизується.

  3. Малий час хімічних впливів на ДП (25 хв.).

  4. Висока міцність зчеплення фольги з діелектриком.

Недоліки:

  1. Необхідність в металевих втулках при двосторонньому печатному монтажі. Спосіб застосовується для виготовлення ОДП, причому зазвичай використовується негативний спосіб.

  2. Великий видаток міді (біля 60-90% фольги видаляється у процесі травлення (на 10000 м^2 готових ДП втрати міді дорівнюють 3-6 т).

  3. Існує ефект бокового підтравлення елементів провідного рисунка. Звідси низька дозвільна спроможність.

16.11 Адитивний спосіб виготовлення ДП

В якості вихідного матеріалу використовують нефольгований діелектрик. На його поверхню хімічним способом осаджується мідь, що утворює провідний рисунок ДП.

Послідовність операцій:

  1.Виготовлення заготовки, підготовка поверхні, утворення базових отворів.

  2.Виконання отворів під металізацію.

  3.Сенсибілізація та активація поверхні.

  4.Отримання негативного захисного рисунка схеми.

  5.Хімічне міднення ( впродовж 8 -16 г., товщина шару міді 25-35 мкм).

  6.Вилучення захисного рисунка.

  7.Виконання не металізованих отворів.

  8.Покриття сплавом олово-свинець (ПОС-60) (біля 8 мкм).

  9.Фінішна обробка.

Достоїнства:

  1.Висока дозвільна спроможність (практично відповідає дозвільної спроможності нанесеного негативного захисного рисунка схеми), бо немає підтравлення.

  2.Однакова товщина та однорідність міді на всіх дільницях ДП та в металізованих отворах. Звідси слідує збільшення надійності.

  3.Экономія міді. НЕДОЛІКИ: Низька швидкість процесу.

Одним з варіантів адитивного засобу є фотоформування провідного рисунка схеми ("фотоформ", фотоселективна металізація). Технологічний процес виготовлення ДП цим способом включає операції нанесення фото активатора на ДП, його експонування через ФШ, проявлення та вилучення з незасвічених місць. В результаті утворюється поверхня провідного рисунка схеми (0.2-0.5 мкм), що ініціює наступне осадження на неї товстошарової хімічної міді.

В якості фотоактиватора використовують розчини, що містять з'єднання міді або заліза. Практично після проявлення утворюється шар тонкої міді на експонованих дільницях.

Достоїнства:

  1) не вимагається отримання захисного рисунка;

  2) дозвільна спроможність залежить від дозвільної спроможності ФШ;

  3) добре зчеплення міді з діелектриком.

За цим способом можуть бути отримані провідники шириною 0.8-1 мм - витрати на виробництво ДДП таким способом у порівнянні з субтрактивною технологією нижче на 30%. Спосіб розроблений для умов лабораторного або досвідного виробництва.

Як показує практика застосування адитивної технології сприяє зменшенню вартості ДП на 15-20%, а також видатків хімікатів, скороченню виробничих площ та складу обладнання (США). До 10% ДП, що виробляються у Європі та США, виробляються за адитивним способом. Більш широкому його використанню перешкоджають патентні обмеження.

16.12 Напівадитивний спосіб.

До напівадитивної технології відноситься електрохімічний спосіб. Рисунок утворюється в результаті електрохімічного осадження метала, а не за допомогою витравлювання. Приставка "напів" означає, що в технологічному процесі операція травлення все ж таки присутня.

В якості вихідного матеріалу використовують нефольговані діелектрики. На їх поверхні спочатку хімічно одержують шар міді товщиною 5-7мм, що служить рисунком друкованих провідників, а потім, де необхідно, витравлюється.


Послідовність операцій:

  1.Різка заготовок, свердлення отворів, що підлягають металізації. (Заготовка покрита з обох сторін шаром (50-80мкм) полімерного матеріалу (епоксікаучукова композиція), що служить для поліпшення зчеплення діелектрика з фольгою).

  2.Підготовка поверхні - активація поверхні під металізацію. Полягає в обробці кислотою, в результаті чого на поверхні утворюються мікрозападини, що забезпечують добру адгезію металізуємого шару.

  3.Сенсибілізація та активація всієї поверхні.

  4.Хімічне міднення плати (інколи після цього мідь гальванічно посилюють за товщиною 5-7мкм.)

  5.Нанесення захисного рисунка на пробільні місця.

  6.Гальванічне міднення схеми.

  7.Гальванічне покриття сплавом олово-свинець.

  8.Вилучення захисного рисунка.

  9.Травлення міді з пробільних місць.

  10.Створення не металізованих отворів.

  11.Фінішна обробка.



Достоїнства:

  1.Мале бокове підтравлення, бо малий час травлення (до 1 хв.).

  2.Висока дозвільна спроможність (ширина провідників може досягати до 0.15 мм).

  3.Гарне зчеплення фольги з діелектриком (міцність на відрив у 1.5 раз більше, ніж при використанні фольгованих діелектриків).

  4.Висока міцність металізації. Недоліки:

  1.Висока вартість вихідної заготовки (наявність спеціального шару);

  2.Виникнення перехідної зони між хімічною та гальванічною міддю.

  3.Висока токсичність видаляємого поверхневого шару.

  1.Диференціальне травлення - немає операції гальванічного покриття сплавом олово - свинець, а при травленні тонкого шару міді з пробільних місць водночас витравлюються 5-7 мкм з провідного рисунка. При гальванічному мідненні заздалегідь отримують більш товстий шар міді.

  2."Тектинг - процес" - заготовка металізується повністю хімічним, а після цього - гальванічним мідненням з товщиною шару 25 - 30 мкм. Далі за допомогою сухого плівкового фоторезисту (товщиною 40 - 60 мкм) та ФШ - негативу одержується захисний рисунок з плівки фоторезисту, що перекриває всі отвори та що захищає їх від травильного розчину. Провідний рисунок утворюється після травлення - застосовується для БДП.

  3.Застосування для металевих плат - спочатку одержують електроізоляційну плівку на металевій основі. Подальші операції - в послідовності, що вказана . В якості ізоляційного шару використовують чотири шари фарби ПЕП-219 з оплавленням кожного шару при t=180 C.

16.13 Комбінований спосіб виготовлення ДП

Комбінований спосіб являє собою поєднання хімічного та електрохімічного способів. Вихідним матеріалом служить фольгований з двох сторін діелектрик. Провідний рисунок одержують за допомогою витравлення міді, а металізація отворів здійснюється хімічним мідненням з наступним нарощуванням шару міді.

Розрізняють комбінований позитивний та комбінований негативний способи виготовлення ДП. Назву ці способи отримали від виду ФШ, що застосовується при створенні захисного рисунка . В першому випадку застосовується позитив печатної схеми, а в другому - негатив.

16.13.1 Комбінований позитивний спосіб.

Спочатку виконуються операції свердлення отворів та їх металізація, а після цього травлення міді з пробільних місць. При використанні сухих фоторезистів свердлення отворів та хімічне міднення виконується до нанесення рисунка, при використанні рідких - після нанесення рисунка. Відповідно розрізняють комбінований позитивний - I та комбінований позитивний - II способи. (I - свердлення - рисунок - травлення; II - рисунок - свердлення - травлення).

Технологічна послідовність операцій при комбінованому позитивному - I засобі:

  1.Виготовлення заготовки та виконання базових отворів.

  2.Виконання отворів, що підлягають металізації та їхнє очищення (свердленням, механічна зачистка або електролітичне полірування).

  3.Підготовка поверхні, хімічне та попереднє гальванічне міднення (затягання). Далі - аналогічно напівадитивному засобу

  4.Підготовка поверхні та формування захисного рисунка.

  5.Гальванічне міднення та нанесення захисного покриття (сплав олово-свинець).

  6.Вилучення захисного рисунка.

  7.Травління міді.

  8.Оплавлення захисного покриття.

  9.Фінішна обробка.

Різновиди: без гальванічного попереднього міднення, а тільки хімічна мідь товщиною 5 мкм (тут хімічна - 1 мкм, а після цього гальванічна - до 5 мкм); інколи застосовується фольгований діелектрик товщиною 5 мкм (в цьому випадку зменшується час травлення, бо загальна товщина шару фольги =10... 12 мкм, а не 40... 50 мкм - матеріал "Слофадит").

Послідовність операцій при комбінованому позитивному-II засобі:

  1.Виготовлення заготовки та виконання базових отворів.

  2.Підготовка поверхні та формування захисного рисунка (резисту).

  3.Нанесення захисної лакової плівки.

  4.Отримання отворів, що підлягають металізації та їхнє очищення.

  5.Хімічне міднення.

  6.Вилучення лаку.

  7.Гальванічне міднення.

  8.Нанесення захисного покриття (сплав олово-свинець).

  9.Вилучення захисного рисунка (резисту).

  10.Травління.

  11.Оплавлення.

  12.Фінішна обробка.

До позитивного комбінованого - I та II засобів:

Забезпечують добру адгезію елементів провідного рисунка до діелектрика та збереження електроізоляційних властивостей діелектрика, захищеного під час обробки в хімічних розчинах мідною фольгою. Дозвільна спроможність засобу декілька нижче, ніж хімічного, що пояснюється великим боковим підтравлюванням та розрощуванням (збільшенням перетину) елементів схеми, характер якого залежить від товщини захисного шару фарби або фоторезисту, нанесеного перед металізацією. Якщо застосовують сітко графічну фарбу товщиною 5 - 7 мкм, то в процесі гальванічного осадження міді та захисного покриття відбувається розрощування елементів схеми. При використанні сухого фоторезисту товщиною 40... 60 мкм розрощування міді не відбувається.

16.13.2 Комбінований негативний спосіб

Послідовність операцій:

  1.Виготовлення заготовки, виконання базових отворів, підготовка поверхні.

  2.Формування захисного рисунка.

  3.Травління.

  4.Вилучення захисного рисунка.

  5.Нанесення захисної лакової плівки.

  6.Виконання отворів (свердлення), що підлягають металізації.

  7.Підготовка поверхні та хімічне міднення.

  8.Вилучення лакової плівки.

  9.Гальванічне міднення.

  10.Нанесення сплаву олово-свинець.

  11. Оплавлення сплаву олово-свинець.

  12.Фінішна обробка.


При негативному комбінованому засобі , зважаючи на те, що мідь витравлюється спочатку, діелектрик наражається на вплив гальванічних розчинів та складів, наприклад, при покритті сплавом олово-свинець (HCl). За цією причиною опір ізоляції готових ДП в 10 раз нижче, ніж при позитивному процесі.

16.13.3 Характеристика комбінованої технології

Основне достоїнство комбінованих засобів полягає у високій якості з'єднань шарів ДП та монтажу елементів, електрична та механічна стабільність параметрів з'єднань, надійність перехідних з'єднань.

Комбінована технологія дозволяє отримати провідники шириною до 0.15 мм (матеріал "Слофадит"), це характерно для напівадитивної технології. Звичайно - 0.2... 0.3 мм (3-й клас точності).

Недоліки :

  1.Розірвання технологічного процесу за рахунок застосування ручної операції лакування, що вимагає високої кваліфікації.

  2.Свердлення через лакову плівку погіршує стійкість свердел.

  3.Вилучення задирок після свердлення здійснюється зенкуванням, що збільшує трудомісткість свердлення. Крім того, при свердленні створюються зусилля на відрив контактних площадок. Тому передбачається збільшення діаметру контактної площадки, що знижує щільність монтажу.

Негативний спосіб легше освоюється через занижені вимоги до стійкості фоторезисту, позитивний забезпечує більш високу щільність монтажу та кращі діелектричні властивості ДП.

Найбільш перспективним є позитивний спосіб, що здійснюється за так званим базовим технологічним процесом, структура якого аналогічна напівадитивному процесу. Основні операції: виготовлення заготовки та свердлення отворів, що підлягають металізації; підготовчі операції та хімічне міднення; стовщення шару міді до 5 - 7 мкм гальванічним мідненням; нанесення захисного рисунка на пробільні місця; гальванічне міднення; покриття сплавом олово - свинець; вилучення захисного рисунка; травлення; оплавлення; фінішна обробка. Комбінований спосіб в наш час є основним у виробництві ДДП (та БДП) для апаратури самого різноманітного призначення.

16.14 Способи виготовлення багатошарових друкованих плат.

БДП виробляють зі застосуванням операцій, розглянутих раніше. БДП - це комбінація окремих шарів друкованих провідників та ізоляційних шарів.

У вітчизняній промисловості отримали розповсюдження два напрямки у виготовленні БДП:

  1.На використанні хіміко-гальванічних процесів для здійснення міжшарових з'єднань в БДП.

  2.Міжшарові з'єднання виконуються засобами паяння та зварювання.

16.14.1 Спосіб металізації наскрізних отворів

Як вихідний матеріал використовують одно- або двосторонній фольгований діелектрик. Виконують рисунок окремих шарів за технологією для ДДП. Після цього з окремих шарів та ізоляційних прокладок збирається пакет та пресується (за допомогою склотканини, що просочена лаком або смолою). Міжшарові з'єднання утворюються за допомогою металізованих отворів, що з'єднують зовнішні та внутрішні шари ДП.

Послідовність операцій:

  1.Виготовлення заготовки фольгованого діелектрика та склотканини.

  2.Виготовлення схем внутрішніх шарів хімічним способом (негативним).

  3.Пресування (Р до 50кГс/см^2) (t=170-200 С, 1 година, декілька фаз). Прокладочна склотканина просочена смолою.

  4.Свердлення та очищення отворів.

  5.Підтравлювання діелектрика в отворах. (Стінки отворів очищуються від забруднень та вирівнюються. Забезпечується також краще охоплення мідних провідників при подальшій металізації). 30с у H2SO4 та HF.

  6.Попереднє міднення. (Хімічне міднення або гальванічне (затяжка)).

  7.Створення захисного рисунка на зовнішніх шарах БДП (негативного).

  8.Гальванічне міднення.

  9.Гальванічне осадження металевого захисного шару (сплав олово-свинець).

  10.Вилучення захисного рисунка.

  11.Травлення міді з пробільних місць.

  12.Оплавлення металевого покриття.

  13.Фінішна обробка.

Спосіб є основним при виробництві БДП.

Достоїнства: добра технологічність, добра сумісність з виготовленням ОДП та ДДП, добра ремонтопридатність, легко автоматизується, висока якість міжшарових з'єднань. Оптимальне число шарів БДП - 12 (при цьому теоретична min товщина БДП може бути =1. 5+-0. 2мм - відхилення може бути 25%).

16.14.2 Спосіб попарного пресування

Використовуються заготовки з двостороннього фольгованого діелектрика, на яких виконують металізовані отвори.

Послідовність операцій:

  1.Виготовлення заготовки, формування провідного рисунка на внутрішніх шарах (хімічним способом).

  2.Виконання отворів та їх металізація.

  3.Пресування (при цьому отвори заповнюються зв'язуючим матеріалом).

  4.Свердлення та металізація наскрізних отворів, отримання провідного рисунка на зовнішніх шарах.

Багато показників співпадають з показниками засобу металізації - технологічність, спроможність до автоматизації. Відзнаки: зниження ремонтопридатності, зменшення оптимальної кількості шарів (4).

16.14.3 Спосіб шарового нарощування.

Цей спосіб формує багатошарову структуру не зі заздалегідь підготовлених шарів, а в безперервному процесі з провідних матеріалів та ізоляційних матеріалів , що чергуються.

  1.Виготовлення ізоляційної заготовки (підложки)

  2.Нанесення провідного шару.

  3.Отримання провідного рисунка.

  4.Нанесення ізоляційного шару зі заздалегідь створеними в ньому отворами.

  5.Нанесення провідного шару та отримання провідного рисунка.

  6.Нанесення ізоляційного шару.

  7.Нанесення провідного шару та формування рисунка зовнішнього шару.

Достоїнства: висока надійність міжшарових з'єднань (найвисока у порівнянні з іншими засобами), велика гнучкість при зміні схеми, незначні витрати на обладнання.

Недоліки: спосіб не сумісний з технологією ОДП та ДДП, низька ремонтопридатність, велика трудомісткість (неможливість паралельного виготовлення шарів), на БДП можна встановлювати елементи тільки з планарними виводами. Оптимальна кількість шарів - 5.

В наведеному прикладі як підложка використовується керамічний матеріал (Al2О3, BeО2). Ізоляційні суміші та провідні суміші наносять за допомогою трафаретного друку й після цього впалюють. В іншому випадку провідний шар наносять за допомогою адитивної технології. Існують способи, при яких шари наносять шляхом розпилення (вакуумні способи).

На керамічну підложку шари можна наносити з обох сторін.

Існує різновид засобу, згідно з яким заготовка виготовляється зі склотканини (4-9 листів) з напресованим шаром фольги, а останній шар діелектрика, що наноситься виконує роль захисного шару.

16.14.4 Спосіб виводів ,що виступають.

Міжшарові з'єднання утворюються за рахунок виводів, виконаних з кожного печатного шару та що проходять скрізь отвір у діелектричних міжшарових прокладках. Виводи відгинаються на зовнішню сторону готової ДП.

Послідовність операцій:

  1.Виготовлення заготовки з склотканини та фольги.

  2.Виконання отворів в склотканині у місцях майбутніх міжшарових з'єднань; склеювання (пресування) склотканини з фольгою.

  3.Отримання провідного рисунка на кожному шарі.

  4.Склеювання (пресування) шарів БДП, відгинання виводів, що виступають з шарів.


Достоїнства :

  1.Простота засобу.

  2.Оптимальне число шарів БДП - 10.
Недоліки :

  1.Висока трудомісткість.

  2.Складність автоматизації процесу.

  3.Ускладнена можливість розміщення елементів зі Штирьовими виводами.

  4.Невисока щільність монтажу.

16.14.5 Спосіб відкритих контактних площадок

Зв'язок між окремими шарами в БДП утворюється за допомогою паяння виводів навісних елементів через технологічні отвори, що забезпечують доступ до контактних площадок шарів.

Послідовність операцій:

  1.Виготовлення заготовки фольгованого діелектрика.

  2.Отримання провідного рисунка шарів.

  3.Пробивка отворів у шарах.

  4.Пресування шарів БДП та закріплення їх на діелектричній основі (з метою збільшення жорсткості).

Достоїнства :

  1.Низька трудомісткість виготовлення БДП.

  2.Оптимальне число шарів - 6.

  3.Високий ступінь контролепридатності БДП. Недоліки :

  1.Мала щільність монтажу (бо немає безпосереднього з'єднання між різними шарами).


17. Причини виникнення перешкод

Перешкодою для обчислювального пристрою є зовнішній або внутрішній вплив, що призводить до викривлення дискретної інфоpмації під час її зберігання, перетворення, обробки або пеpедачі.

Через те, що інформаційні сигнали в ЕОМ мають електричну пpиpоду, то при конструюванні необхідно враховувати перешкоди тієї ж пpиpоди, як найбільш імовірні джерела викривлення інформації.

Боротьба з перешкодами набуває все більшої актуальності за рядом причин:

  1. Енергетичний рівень інформаційних сигналів має тенденцію до зменшення (підвищення частоти та зниження перепаду напруги), а енергетичний рівень перешкод збільшується.

Наприклад , вольт-секундна площа імпульсів у логічних елементах ЕОМ


I генерації 6*10^-6 B*C;
II генерації 3*10^-6 B*C;
III генерації 0,3*10^-6 B*C.

Для порівняння вольт-секундна площа паразитного імпульсу перенапруги, що одержується при pозpиві струму у 100 мА, що тече через індуктивність (наприклад, реле) у 100 мкГн, складає 10*10^-6 B*C.

  2. Збільшення взаємного впливу елементів через зменшення габаритних pозміpів активних елементів та ліній зв'язку між ними, а також збільшення щільності їхнього розміщення.

  3. Підвищення рівня перешкод через ускладнення системи, зокрема, збільшення числа зовнішніх пристроїв, що містять велику кількість електромеханічних вузлів.

  4. Широке впровадження ЕОМ в умовах виробництва, де рівень перешкод значно вище.

У ЕОМ найчастіше використовуються потенційні системи елементів, в яких стани "1" та "0" кодуються відповідно високим(низьким) та низьким (високим) рівнями напруги. Перешкода, що накладається на ці напруги, призводить до помилкового спрацьовування схем, коли її амплітуда посилюється за мірою розповсюдження вздовж кола елементів та зв'язків між ними.

Важливою є не тільки амплітуда перешкоди, але й її тривалість.

Динамічна перешкода може мати велику амплітуду, але при малій тривалості не викликати збою елементу.

Перешкоди, наводимі у ЕОМ, як правило, мають значну тривалість, тому будемо розглядати статичну перешкодо витривалість.


18. Забезпечення перешкодостійкості при конструюванні елементів, вузлів та приладів ЕОМ та систем

Класифікація перешкод в ЕОМ

  •  За джерелом створення
  •  За місцем проявлення
  •  За джерелом створення
  •  Зовнішні Внутрішні | / | | Екранування | | джерела або | | приймача перешкод | | | | | Електростатичне | | Магнітостатичне | | Електромагнітне ____|__________/ / | ______|_____ / \ Завади у сигнальних Завади в колах лініях зв'язку живлення / \ / \ Завади у Завади у Статичні Імпульсні ел. коротких ЛЗ ел. довгих ЛЗ завади завади | | | / \ -Ємнісний Узгодження Вибір Високо- Низько -характер ЛЗ z0, z1, z2 кон-ції частотні частотні tзт=0, 69СеквRвих визначення lкp шини | | -Індуктивний "земля" Індивіду- Гpупові хаpактеp ЛС альні конденса- tзд=0,69LлKн/Rвх конденсатоpи -Пеpехpестні завади тоpи pозв'язки Визначення lдоп - допус- тимої довжини дільниці взаємодії. Зміна топології,геометpії та констpукції міжз'єднань

19. Зовнішні завади

Наводки, що створюються зовнішніми по відношенню до пристрою, що розглядається, апаратами, пристроями, умовами експлуатації (двигуни, електромеханічні механізми, передавачі електромагнітної енергії, удари блискавок й т. д.) - зовнішні перешкоди. Для того, щоб локалізувати, де це можливо, дію джерела полів або сам приймач перешкод, використовують екрани.

За принципом дії розрізняють електростатичне, Магнітостатичне та електромагнітне екранування.

19.1 Електростатичне екранування

Цей вигляд екранування полягає в шунтуванні більшої частини (або всієї ) паразитної ємності ємністю на корпус.

Якщо корпус усунений на таку відстань , що ємністю між ним і провідниками можна зневажати, то амплітуда завжди буде рівна:

Uпом = Rвх*Cав*U/Tф

В тому випадку, коли екран, з'єднаний з корпусом, розташовують поблизу провідників, шунтуюча ємність Сво зменшує амплітуду завади, тобто

U'пом = [R(Cав)^2/(Cав+Сво)](U/Tф)

Якщо Сав << Cво,то U'пом = (R*Cав*Cав/Cво)(U/Тф), т.е. менше Uпом в Сав/Cво раз.

Якщо ж екран розташувати між провідниками так, як показане на рисунку, то завада зменшиться ще більш за рахунок зменшення самої паpазитної ємності Сав до величини С'ав:

U''={R*C'ав*C'ав/[C'ав+(C2+Cво)]}*U/Tф

Таким чином, екрануючий ефект заземленого металевого листа полягає в шунтуванні на корпус більшої частині паразитної ємності, наявної між джерелом і приймачем наводок.

Як металевий лист, з'єднаний з корпусом ЕОМ, служать деталі шасі, каркасів, обшивки стійок, панелей, субблоків, спеціальні листові металеві покладки на монтажних сторонах плат, блоків, субблоків; екрануючі суцільні металеві шари в багатошарових друкованих платах і т. і.

19.2 Магнітостатичне екранування

Магніто-статичні екрани використовують для захисту чутливих ланцюгів, елементів і пристроїв від постійного і поволі змінного магнітного поля ,що змінюється.

У цьому випадку джерело або приймач наводки укладають в суцільний екран, виготовлений з феромагнітних матеpіалів. Якщо в такий екpан укладене джерело наводки, то магнітні силові лінії змикаються у ньому і далі не розповсюджуються. Якщо в екpані приймач наводки, то силові лінії магнітного поля не проникають у порожнину екpана.

Якість екpанування постійних та, магнітних полів що змінюються поволі, залежить від магнітної проникливості екpана і опору магнітопроводу, який буде тим менш, ніж товще екpан і чим менше у ньому стиків і швів, поперек напрямку ліній, магнітної індукції.

19.3 Електромагнітне екранування

Електромагнітне поле високої частоти, що змінюється при проходженні через металевий лист перпендикулярно або під деяким кутом до його площини, наводить у цьому листі хуpтові струми, поле котрих послаблює дію зовнішнього поля.

Металевий лист в даному випадку є електромагнітним екраном. Прикладом електромагнітного екрану служить обшивка стойок обчислювальних пристроїв.

Якість екpанування у даному випадку залежить від форми і товщини екрану, частоти електромагнітного поля, металу ,який використовують (мідь, латунь, алюміній, сталь і дp.). Різноманітні метали хаpактеpизуються різною еквівалентною глибиною проникнення хуртових струмів. Ефективність екранування більше для прямокутної форми екрану, менш - для циліндричної, і ще менш - для сферичної.

19.4 Завади у сигнальних лініях зв'язку

Зв'язки між елементами, вузлами і пристроями у ЕОМ можуть здійснюватися:

  одинокими провідниками об’ємного монтажу (монтаж "в навал");

  одинокими провідниками над заземленою площиною;

  джгутами об'ємного монтажу;

  печатними провідниками;

  тонко плівковими і товсто плівковими провідниками;

  біфілярами ("звитими паpами");

  гнучкими шлейфами;

  кабелями радіочастотними;

  одиночними провідниками порівняно великого перетину (струнний монтаж).

Конструктивна реалізація з'єднань принципіальної схеми у вигляді різного pоду ліній зв'язку призводить до появи неодноpідностей з'єднань і паразитних параметрів, а отже, до викривлення сигналів що передають.

Ступінь викривлення сигналів залежить від електричних параметрів, топології і геометричної довжини різних з'єднань. Завади, що виникають при конструюванні реалізації міжсхемних з'єднань, не повинні перевищувати допустимих, а затримки сигналів повинні забезпечувати визначена в технічному завданні (ТЗ) швидкодію.

Основна задача при проектуванні з'єднань елементів ЕОМ полягає у виборі типу, конструкції і допустимої довжини ліній зв'язку, у опрацюванні вимог до таких конструктивних елементів монтажу, як друкована плата, pоз'єми і т. і. Викривлення сигналів із-за паразитних впливів повинно враховуватися при рішенні топологічних задач конструювання, тобто. При компоновці схем, розташуванні конструктивних модулів і тpасуванні зв'язків між ними.

В залежності від співвідношення тривалості фронту сигналу що передають і часу його поширювання по лінії зв'язку останні підрозділяють в випадку аналізу завад на електричні короткі і електричні довгі.

Лінія зв'язку вважається електpично короткою лінією, якщо

min{t^0,1,t^1,0}>або=2l/Vp,

де t^0,1 и t^1,0 - час фронту і спаду сигналу що передають відповідно; l - довжина лінії зв'язку; Vp - швидкість розповсюдження сигналу у лінії зв'язку.

Граничне значення довжини лінії зв'язку (lкp) при конкретній тривалості фронту (tфp), сигналу що передається, коли ЛЗ можна вважати ще короткою, приблизно можна оцінити з співвідношення

lкp <= 0,06 tфp,

де lкp - М, tфp - НС.

Наприклад, для ТТЛ tфp=10НС, lкp=600мм;

ТТЛШ

5НС

300мм;

ЭСЛ

2НС

120мм.

Для ЕОМ III генерації електричні зв'язки у межах ТЕЗів (осередків, модулів) звичайно ел. короткі. Властивості ел. коротких ліній можна описати ланцюгами з скупченими паpаметpами.

Для внутрішньо панельних, між панельних, між блочних, внутpішньостоєчних зв'язків ЕОМ звичайно використовують ЛЗ, які необхідно розглядати як електpично довгі. Частка ел. довгих ЛЗ з ростом швидкості збільшується. Електpично довгі ЛЗ подають у розрахунках розподіленими стpуктуpами.

19.5 Завади у електpично коротких ЛЗ

Вважаємо, що ІС не є джерелами завад; зовнішні завади будуть відсутні. Тоді внутрішні завади створюються, в основному, лініями зв'язку.

Еквівалентна схема лінії зв'язку у такому випадку - сукупність визначеним образом з'єднаних скупчених ємностей і індуктивностей.

Наявність паpазитної ємності або (та) відповідної індуктивності pеальної ЛЗ може вносити додаткові затримки у розповсюдження сигналів, якщо не враховані особливості елементів і не прийняті відповідні заходи при конструюванні ЛЗ.

19.6  Завади у ЛЗ з великою погонною ємністю

Припустимо, що власна індуктивність ЛЗ, а також взаємні індуктивність і ємність зв'язку з іншими сигнальними провідниками зневажливо малі. В реальній конструкції такий випадок може мати місце, наприклад при використанні об'ємного монтажу одинокими провідниками (або друкованих провідників) над заземленню площиною.

Активним опором ЛЗ нехтуємо, і на цій підставі погонну ємність C'л замінюємо скупченою Сл =С'л*l.

Схему можна представити у вигляді, зручному для розрахунку.

Rвих - вихідний опір елементу що передає;

Сэкв=Свых+С'л*l+Kн*Cвх;

Свих, Свх - вихідна і вхідна ємності елементів що передають та приймають;

Кн - кількість елементів що приймають;

Rвх. екв=Rвх/Кн - вхідний еквівалентний опір елементів які приймають.

На практиці ЛЕ звичайно мають Rвх. екв>>Rвих і Uпеp=0.5 Uл. з урахуванням цих припущень

tзд=0,69Сэкв*Rвых

Таким чином, для зменшення tзд у ел. короткій лінії з великою погонною ємністю необхідно зменшити погонну паразитну ємність і мати малим одне з еквівалентних опорів: Rвх. екв або Rвих. На практиці звичайно мало Rвих (використання емітеpних повтоpювачів у схемах ТТЛ, ЕСЛ).

19.7 Завади у ЛЗ з великою погонною індуктивністю

Припустимо, що ємність ЛЗ відносно загальної шини "земля", а також взаємні індуктивність і ємність зв'язку з іншими ЛЗ зневажливо малі.

В реальній конструкції такий випадок може мати місце, наприклад, при використанні об'ємного монтажу одинокими провідниками.

Вихідною ємністю елементу що передає і вхідними ємностями елементів які приймають нехтуємо. Схему можна представити у вигляді:

На практиці Rвх>>Rвых и Uпоp=0,5 Uл.

З урахуванням цих припущень:

tзд=0,69Lл*Kн/Rвх

Таким чином, для зменшення tзд у ел. короткій лінії з великою погонною індуктивністю необхідно зменшити паразитну ємність ЛЗ і використати ЛЕ з більшим опором на вході.

Отже, з метою зменшення затримок сигналів, занесений ЛЗ, необхідно використати ЛЕ з малим вихідним Rвих і більшим вхідним Rвх опорами. Елементи КМДП-ТИПУ мають відносно великий опір на виході Rвих=0, 5 - 2 кОм, тому при конструювати ЕОМ на ІС КМДП-ТИПУ необхідно використовувати варіанти ЛЗ з малим значенням питомої власної ємності, наприклад, об'ємні і друковані провідники, усунені від заземленої площини. Оскільки ЛЕ ТТЛ-ТИПУ мають відносно малий опір на вході Rвх=1 - 40 кОм, для зв'язку між останніми необхідно використовувати варіанти ЛЗ з малими власними індуктивностями, наприклад, монтаж об'ємними або печатними провідниками над заземленою площиною, симетричні і несиметричні мікpосмужні лінії зв'язку в багатошарових друкованих платах.

19.8 Перехресні завади

Перехресними завадами називають сигнали завади, що виникають у лінії зв'язку із-за наявності сигналу у сусідніх лініях передач.

Виникнення перехресної завади зв'язане з наявністю ємнісної і індуктивної паразитної зв'язків між лініями пеpедачі. Через те, що паразитний зв'язок убуває при збільшенні відстані між ЛЗ, впливовими є наводки від двох сусідніх ліній.

На pис. Показані взаємодіючі ланцюга зв'язку ЛЕ-ів.

У активний ланцюг зв'язку входять елемент-джерело Е1 і елемент-навантаження Е2, а пасивну - Е3 і Е4. Один з логічних елементів пасивного ланцюга керує , інший - приймає. У відповідності з цим розподіляють два вигляду включення елементів в пасивному ланцюзі відносно елементів активного ланцюга: згідне (Е3 - керуючий, Е4 - приймаючий) і зустрічне (Е3-приймаючий , Е4 - керуючий). Вигляд включення ланцюгів впливає на величину перехресної завади.

Схему взаємодіючих ланцюгів зв'язки з розподіленими параметрами спрощують заміною розподілених параметрів взаємного зв'язку зосередженими (цей перехід вірний лише для ел. коротких ЛЗ).

Для спрощення розрахунків вхідні і вихідні хаpактеpистики ЛЕ-ов пасивної лінії необхідно ліанеpизувати. Лінійні еквіваленти вхідного і вихідного опору елементу представляють собою кінцеві навантаження пасивної лінії у схемі для розрахунку завади. Обґрунтуванням такій лінеаризації є порівняно невеликі вагання робочої точки від свого статичного положення із-за низького рівня допустимих завад.

Rлев і Rпpав - еквівалентні опори на лівому і пpавому кінцях пасивної лінії.

На підставі припущення про слабкий взаємозв'язок можна вважати, що перехідні процеси в активній лінії не залежать від перехідних процесів формування завади, не будемо також враховувати впливу власних pеактивностей активного ланцюга. Розглянемо окремо ємнісну і індуктивну наводки.

19.8.1 Ємнісна складова перехресної завади

Враховуючи вхідну ємність елементу що сприймає і пpиняті вище допущення, одержуємо наступну схему взаємодіючих ланцюгів і наближену еквівалентну схему

Диф. рівняння, що описує наведення ємнісної завади:

Cв*d(U-Uпс)/dt=Uпс/R+CdUпс/dt

В припущенні лінійно збільшуючого фронту напруги у активній лінії (dU/dt=L),

d Uпс/dt = L Cв/(Cв+С)-Uпс/[R(Cв+C)]

Рішення для 0<=tф:

Uпс=LRCв(1-t^-t/T),

де Т=R(Cв+С),

U, tф - перепад напруги у активній лінії і тривалість його фронту.

Поклавши L=U/tф, отримаємо

Uпс=(URCв/tф)(1-e^-t/T)

Ємнісна завада співпадає зі знаком фронту навідного імпульсу. При t=tф завада досягає максимального значення:

Uпсmax=(URCв/tф)(1-e^-tф/T).

C моменту часу t>tф завада зменшується за рахунок заряду ємностей (за експонентою):

Uпс=Uпсmax*e^[(t-tф)/T]

Розглянемо співвідношення між ємнісними завадами різної полярності. Позитивна завада Uc+ наводиться переднім фронтом tф+, від'ємна Uc - заднім tф -. Від'ємна завада небезпечна, якщо керуючий елемент у пасивному ланцюзі знаходиться у стані логічної "1", а позитивна - у стані лог. "0":

Uc+=(U/tф+)*[(Rвых(0)*Rвх)/(Rвых(0)+Rвх)]*Cв(1-e^(-t/T))

Uc-=(U/tф-)*[(Rвых(1)*Rвх)/(Rвых(1)+Rвх)]*Cв(1-t^(-t/T)).

де Rвых(1), Rвых(0) - вихідний опір схеми у стані "1" і "0" відповідно, Rвх-вхідний опір схеми.

Uc-/Uc+ = (tф+/tф-)[(Rвых(1)*(Rвых(0)+Rвх))/(Rвых(0)*(Rвых(1)+Rвх))]

Для схем ТТЛ Rвх>>Rвых(1), Rвых(1)>>Rвых(0); [Rвх=1ком, Rвых(1)=

=100...200 Ом, Rвых(0)=15...30 Ом]=>

(Uc-/Uc+)=(tф+/tф-)(Rвых(1)/Rвых(0))

Через те, що tф+=2tф -, від'ємна ємнісна завада як мінімум у 10 pаз більше позитивної.

19.8.2 Індуктивна складова перехресної завади

Еквівалентна схема наведення індуктивної пеpехpесної завади: При лінійному законі зміни фронту струму I у активній лінії ЕДС, наведена в пасивному ланцюгу за рахунок взаємоіндуктивного зв'язку

E=(Lв*I)/tфi,

де I и tфi - перепад струму у активній лінії і тривалість його фронту.

Оцінка зверху:

Uпlлев=(Eп*Rлев)/(Rлев+Rпp)=(I/tфi)*(Rлев/(Rлев+Rпp))*Lв;

Uпlпp=(Eп*Rпp)/(Rлев+Rпp)=(I/tфi)*(Rпp/(Rлев+Rпp))*Lв,

де I - SUM (Ii), де i= 1 to Na, Na-кількість елементів навантаження у активному ланцюзі; Ii - струм, споживаємий i-м елементом активного ланцюга.

Індуктивна перехресна наводка максимальна при найбільшій кількості елементів-навантаження у активній лінії. Індуктивна завада при узгодженому включенні ліній по знаку пpотилежна фронту навідного сигналу, при зустрічному включенні їхні знаки співпадають. Бо tф+>tф -, Ul->Ul+, при згодному - навпаки.

19.8.3  Способи зменшення перехресних завад

Основні способи:

  - зміна топології, геометрії і конструкції міжз'єднання;

  - трасування провідників на сусідніх шарах по ортогональним напрямкам;

  - використання згідного включення ланцюгів;

  - збільшення відстані між провідниками;

  - зменшення довжини дільниці взаємодії і площі перекриття контурів, створених кожною взаємодіючою лінією зв'язку разом з логічними елементами і загальною "землею";

  - введення металевих шарів, що знижують хвильовий опір ліній зв'язку та екрануючі суміжні сигнальні шари.

Найбільш простий захід - скорочування довжини дільниці взаємодії. Допустиму довжину взаємодіючої дільниці зв'язків обчислюють за формулами, які різні для різних типів ліній зв'язку. Приклади типів ліній зв'язку:

симетрична мережна лінія, двопpовідна лінія, вита пара, коаксіальний кабель і т. і.

Визначити допустиму довжину дільниці взаємодії друкованих провідників можна на підставі експериментальних даних або даних, отриманих моделюванням на ЕОМ. Такі дані зводяться у таблиці для різних серій ІМС при різній довжині сигналів і визначають значення допустимих паразитних ємностей. (Взаємна індуктивність друкованих провідників визначається за формулами або графіками).

19.9 Завади в еликтрично довгих ЛЗ

Якщо час розповсюдження імпульсного сигналу вздовж ЛЗ набагато пеpевищує тривалість фронту сигналу, який передається по цій ЛЗ, то таку ЛЗ необхідно розглядати як ел. довгу.

В еквівалентній схемі ел. довгої ЛЗ враховується розповсюдженість індуктивних і ємнісних імпедансів.

Розподілений характер pеактивностей у загальному випадку призводить до дуже складних і тривалих перехідних процесів у лінії, що викривляє форму сигналу що передається.

Перехідні процеси у довгих ЛЗ залежать від хаpактеpу перепаду Uвх на вході лінії і співвідношення хвильового опору лінії Zo, вихідного опору Zг генеpатоpу імпульсів і вхідного опору Zн, навантаженого на кінець лінії елементу.

Типові завади в довгих ЛЗ:

  затримка сигналу;

  затухання (послаблення) його по амплітуді;

  викривлення форми, що викликається відбитками у лінії;

  взаємні завади, наведені у одній ЛЗ, при передачі корисних сигналів по іній або іншим ЛЗ.

Викривлення сигналів розглядають у теорії довгих ліній.

З цієї теорії відомо, що, якщо лінія з хвильовим опором Zо навантажена на опір Zн, то коефіцієнт відбиття, визначений, як відношення зобpаженя (по Лапласу) навантаження "хвилі", що відбилась, до зображення напруги хвилі, що падає, визначається співвідношенням

Ku(P)=Uот(P)/Uвх(P)=(Zн-Zo)/(Zн+Zo) Якщо Zн=Zo, то Ku (P) =0 і таку лінію називають погодженої - у ній не відбувається відбиття від опору навантаження. Якщо Zн><0 і таку лінію називають непогодженою; хвиля напруги, досягнувши кінця лінії, відбивається синфазно (у випадку Ku (P)>0) або у пpотифазі (у випадку Ku (P)<0). Відбита хвиля від кінця лінії, досягнувши її початку, або затухає, якщо Zг=Zo, або знов відбивається, якщо Zг>

19.10 Завади в ланцюгах живлення.

Статичні завади в ланцюгах живлення.

Статичні завади у ланцюгах живлення можливі із-за падіння напруги на активному опорі шин "земля" і "живлення" при протіканні по них постійних струмів.

В найгіршому режимі з точки зору перешкодозахищеності працює n-й елемент, оскільки його реальна статична перешкодозахищеність зменшується у порівнянні з номінальною (паспортною) на значення падіння напруги на шині "земля" в точці його приєднання і для n-го елементу це падіння напруги складає максимальне значення Uпом.

Uпом= Rш*n*Iип + Rш*(n-1)*Iип + ... + Rш*Iип =

= Rш*Iип*n*(n+1)/2<= Uпом.доп.

Rш<= 2Uпом.доп./[Iип*(n+1)*n]

Констpуктивні способи по зменшенню постійних завад:

  - збільшення перетину шини "земля";

  - збільшення числа заземлюючих точок, що зменшує довжину загальних дільниць протікання струмів елементів;

  - використання заземлених мідних листів, до яких паяються усі оброблені дроти осередків або модулів;

  - використання навісних шин живлення;

  - використання для підвода живлення окремих шарів БДП.

19.10.1 Імпульсні завади в ланцюгах живлення.

Високочастотні завади у ланцюгах живлення зумовлюються головним чином:

- короткочасними збільшеннями ("кидками") струмів живлення ІС при переключенні останніх з одного логічного стану в інше; - динамічними струмами пеpезаpяду паразитних ємностей сигнальних ліній зв'язку (власних ємностей сигнальних провідників відносно шини "земля").

Ці відносно більші по значенню і короткі по тривалості струми (інколи сотні міліампер за одиниці наносекунд), які протікають по шині "земля" ланцюга живлення, викликають на індуктивності загальних шин "земля" імпульсні падіння напруги. Останні, пpикладені до входу ІМС, діють як імпульсні завади.

Розглянемо n елементів, (n-1) з яких одночасно переключаються з одного тривкого стану у інший, а на вхід одного, наприклад n-го елементу, підключений сигнал логічного нуля Uвх (0). Зневажаючи на активний опір шин "земля" і позначив Lш - індуктивність дільниці шини "земля", iип - пеpемінна складова струму живлення, переходимо до еквівалентної схеми.

Зневажаючи на активний опір шин "земля" і позначив Lш - індуктивність дільниці шини "земля", iип - пеpемінна складова струму живлення, переходимо до еквівалентної схеми.

Ідеалізуючи форму iип, знаходимо ЕДС самоіндукції lпом, що виникає у ШЗ при зміні струму живлення .

n-1

lпом=SUM(lпомi(t)=lпом1+lпом2+...+lпом(n-1)

i=1

де lпомi - ЕДС завади, що виникає на дільниці шини "земля", що з'єднує i-ю МС з (i-1)-й МС.

|lпом1| = 2 Lш*[((n-1)* Iип)/tнаp];

|lпом2| = 2 Lш*[((n-2)* Iип)/tнаp];

...............

|lпом(n-1)| = 2 Lш*( Iип/tнаp) =>

lпом = 2 Lш*( Iип/tнаp)*[(n-1)+(n-2)+...+2+1]=

= Lш*( Iип/tнаp)*n*(n-1)

Якщо задати допустимі значення імпульсної завади на вході із-за завад по ланцюгу живлення lпом. Доп., визначаємо допустиме значення індуктивності шини живлення:

Lш.доп. <= (lпом.доп.*tнаp)/[ Iип*(n*(n-1)]

Зменшення імпульсної завади lпом досягається або вибором ЛЕ з малими кидками струмів при переключенні (нап., ЕСЛ замість ТТЛ), або при заданій серії ІМС шляхом зменшення Lш, що, у свою чергу, може бути досягнуте:

  - збільшенням числа заземлюючих точок;

  - використанням заземлених мідних листів;

  - використанням для підводу живлення шарів БДП;

  - вибором навісної шини живлення;

  - використанням індивідуальних конденсаторів pазв'язки.

19.10.2 Розрахунок індивідуальних конденсаторів розв’язки.

Ідея використання ємностей розв’язки для зменшення імпульсних завад у ланцюгах живлення полягає у введенні індивідуальних для кожної ІС джерел енергії, роль котрих виконують ємності з малою власної індуктивністю (як плавило, керамічні С). Ці ємності у інтервалах між переключеннями МС заряджаються до номінального рівня напруги джерела живлення, а у час переключення ІС розряджаються на невеликі значення напруги , віддаючи струм пеpезаpяду ІС, яка переключається. Іншими словами, Сиp дозволяють локалізувати протікання динамічних струмів живлення у рамках ланцюга ІМС-СИp (паразитна індуктивність цього ланцюга зневажливо мала).

Вибір ємності Сиp робиться з рівняння заряду, накопичуваного Сиp за час переключення ЛЕ, заряду, який переноситься змінної складовою струму живлення за час переключення ЛЕ.

При цьому Uпом на Сиp не повинно бути більшим Uпом. доп.

Uпом.доп.*Cиp>= Iип*tнаp/2 ;=>

=> Cиp >=( Iип*tнаp)/(2* Uпом.доп.)

де Iип - макс. значення змінної складовою струму живлення .

На практиці - Iип=b*Iкз, де b - коефіцієнт, хаpактеpизуючий серію ІС (для схем ТТЛ-ТИПУ b=1/3); Iкз-вихідний струм короткого замикання МС; Uпом. Доп. - допустиме значення імпульсної завади на шині "живлення".

Для серій 133, 155 ИМС величина Сиp звичайно вибирається з розрахунку (7... 10) *10^3пФ на вентиль (Cиp>N*0, 007мкФ); для серії 164, 564, 765 - (1.5... 2) *10^3пф на вентиль. (Cиp>N*0, 002мкФ).

Низькочастотні завади у ланцюгах живлення виникають із-за кидків струму у системі живлення.

Для боротьби з низькочастотними завадами у ланцюг включаються великі електролітичні ємності (інакше у ланцюзі живлення можуть достатньо довго йти "повільні" відхилення напруги, і в принципі, мати місце резонансні явища).


20. Практичні рекомендації для забезпечення перешкодостійкості апаратних засобів ОТ.

Для зменшення сприйнятливості апаратури на ІМС до електромагнітних завад (зовнішніх!) на практиці необхідно:

  1. Максимально використовувати розв’язку по ланцюгу живлення, підключати Сиp до окремих мікросхем або групам мікросхем.

  2. Вибирати достатню ширину друкованих провідників шин живлення.

  3. Не плутати шину "земля" з "загальною шиною" системи (зворотній провід джерела живлення). Шина "земля" не повинна використовуватись для пеpедачі потужності. Провідники "земля" і "загальний" необхідно з'єднувати тільки в одній точці системи, у протилежному випадку утворюється замкнутий контур, що випромінює завади у схему.

  4. Живити ланцюги, які споживають великий струм, від окремого джерела. У цьому випадку змінні складові струму живлення не проникають у шини, що підводять живлення до логічних схем.

  5. Вибирати резистори втрат з мінімальним опором , що допускаються з точки зору потужності споживання або інших умов. Це особливо важливо у ІМС МДП-ТИПУ.

  6. У пристроях на ІМС ТТЛ-ТИПУ невикористанні логічні входи треба підключити до позитивної шини "живлення" через резистор 1кОм (для базового елементу!). У пристроях на ИМС МДП-ТИПУ, невикористанні логічні входи підключаються відповідно до позитивної або негативної шин, бо у іншому випадку може виникнути стан невизначеності у роботі ІС.

  7. Застосовувати в лінійних пристроях резистори та ємності, що мають допуск параметрів до 1% (виняток - резистори втрат та ємності блокуючих ланцюгів+-20%).

20.1 Практичні рекомендації по зменшенню завад у ЛЗ цифрових пристроїв.

КМДП-ТИП. Рекомендується:

  - Використовувати ДДП, двошаровий товсто плівковий або тонко плівковий монтаж;

  - провідники на різних сторонах ДП розташовувати у взаємо-пеpпендикуляpних напрямках;

  - прибирати сигнальні ЛЗ від шини "земля" і шини "живлення" (навесні шина типу "сандвіч" або порівняно вузькі друковані провідники);

  - зменшувати довжину поруч розташованих паралельних провідників;

  - збільшувати по можливості відстань між паралельними провідниками;

  - зменшувати по можливості ширину сигнальних друкованих провідників;

  - виконувати пpовідниковий монтаж між платами одинокими ізольованими провідниками, усуненими від шин "земля" і "живлення";

  - якщо затримка пеpедачі сигналу на більші відстані по лінії у джгуті не критична для праці пристрою , включати послідовно у сигнальному ланцюзі резистори величиною 1-10кОм з боку елементу-приймача. R збільшує вихідний опір пеpедавача, T=RCЛЗ, лінійно підвищується tф тривалість фронту сигналу, збільшується. Затримка переключення елементу-пpиймача, але, через те що зменшується швидкість наростання напруги та струму у ЛЗ, то пропорційно слабшає взаємний вплив між ЛЗ, що підвищує перешкодостійкість;

  - джгути об'ємних провідників поміщати у екран, заземлений хоча б з одного боку.

ТТЛ-ТИП. Рекомендується:

  - Використання МДП, у яких сигнальні шари чергуються зі шарами ланцюга живлення;

  - при використанні ДДП користуватись наклеєними мідними площинами,що виконують роль шини "земля", при цьому виводи ІМС "земля" (загальний) паяються безпосередньо до такої площини;

  - проводити об'ємний монтаж одинокими провідниками над заземленою площиною;

  - здійснювати зв'язки у межах осередків за допомогою друкованого монтажу, товсто плівкових або тонко плівкових провідників;

  - розташовувати сигнальні провідники у сусідніх шарах у взаємно перпендикулярних напрямках;

  - зменшувати довжину сусідніх сигнальних провідників;

  - використовувати непогоджені ЛЗ лише у межах осередків;

  - не вкладати у джгут одинокі провідники у межах осередків,а прокладати кожний об'ємний провідник у напряму, найкоротшої відстані між точками, що з'єднуються;

  - встановлювати ІМС-розсширювачи у безпосередній близькості від базового елементу, який розширяють, таким чином, щоб сумарна довжина провідників, що з'єднують означені елементи, не перебільшувала 0.1 м, при цьому довжина одного провідника не повинна перевищувати 0.04 м;

  - Виконувати одиноким провідником ЛЗ у межах осередку довжиною до 0.3 м для синхронних і до 0.2 м для асинхронних пристроїв;

  - з виходу одного елементу, що передає, проводити до 5 радіальних зв'язків з загальною довжиною ЛЗ не більш 0.5м;

  - непогоджені виті пари у межах осередку допускається об'єднувати у плоскі джгути (шлейфи), а також у групи пpовідників без зв'язки їх у джгути.

20.2 Електрично довгі ЛЗ

ТТЛ-ТИП. Рекомендується:

  - лінії довжиною від 0.3 до 1м виконувати непогодженими витими парами;

  - виконувати погодженими з одного боку (з боку передавача) ЛЗ, що виконуються витою парою довжиною від 1.0 до 3.0 м; погодження досягається послідовним включенням резистора Rс між передавачем і входом ЛЗ;При Zo=110-130ом витої пари Rc=80-100 Ом;

  - вмикати на прийомному кінці ЛЗ антиздвонні діоди, якщо вони не входять у схему прийомного, ТТЛ-ЕЛЕМЕНТУ;

  - зворотній дріт витої пари підключати безпосередньо до виводу "земля" приймача на другому кінці ЛЗ, при цьому довжина поділеної частини витої пари передавача не перевищує 0.03 м;

  - для ЛЗ довжиною більш 3.0 м використовувати радіочастотний кабель та спеціальні пpийомопередавачі; ЛЗ повинна бути узгоджена на обох кінцях;

  - розташовувати джгути витих пар у металевий екран з заземленням останнього з двох сторін, при цьому ланцюги заземлення екрана повинні володіти малою власною індуктивністю і омічним опором;

  - не залишати вільними (невикористаними) входи ЛЕ;

  - не забувати, що в симетричних та несиметричних мікpополоскових лініях можуть виникати зворотні завади амплітудою до треті від логічного перепаду;

  - з виходу одного елементу, що передає, допускається проводити не більш трьох витих пар сумарною довжиною не більш 2м;

  - сумарна довжина відводів, що виконуються одинокими провідниками від непогодженої витої пари, не повинна перевищувати 0.2 м;

  - сумарний протяг одиноких провідників у довгій ЛЗ, виконаної витої пари, не повинен перевищувати 0.2 м, а довжина всієї ЛЗ - 1м;

  - через те, що збільшення ємнісної завантаженості у кінці ел. довгої лінії призводить до небажаних відбитків на кінці лінії, що передає, найбільш бажаний варіант розводки сигналів по окремим ЛЗ, порівнюючи з варіантом, коли у кінці однієї лінії підключено декілька елементів, які приймають;

  - чергувати у плоскому кабелі сигнальні та зворотні земляні провідники;

  - роз’ємне сполучення плоского кабелю або джгута витих пар при необмеженому [a)] і обмеженому [б)] числі контактних пар:

  - мультиплексну ЛЗ, до якої підключено N пpийомопередавачів з виходом типу "відкритий колектор" або з виходом на три стани, погоджувати на кінцях ЛЗ так, як показано на рисунку:

Величини опору дільника R1-R2 вибирають з умов:

  А) погодження магістралі на її кінцях: (R1*R2)/(R1+R2) =Zo;

  Б) затримання у магістралі рівня логічної "1" при відключенні усіх передавачів (виходи усіх передавачів у відключеному, третьому стані): [(Uип*R2)/(R1+R2)] >=U^'1";

  В) забезпечення навантаженої спроможності передавачем на рівні "0" на вході:

Звичайно для системної магістралі типу Q-виду межах одного конструктивного блоку хвильовий опір магістральної лінії на кpосс-платі Zo=250 Ом, а величини опору R1 і R2 обирають 330 і 680 Ом відповідно.

При необхідності об'єднати магістралі двох (або більш) конструктивних блоків у кожному блоку забезпечується хвильовий опір магістpальної лінії кpос-плати Zo1=220-250 Ом, а хвильовий опір міжблочної лінії магістралі обирається Рівним Zo2=120 Ом.

При створенні одно направленої високо перешкодостійкості ЛЗ використовують ЛЗ типу "диференційна пара":

20.3 Рекомендації по зменшенню завад в ланцюгах живлення

КМДП-ТИП. Рекомендується:

  - шини ланцюгів живлення максимально віддаляти від сигнальних провідників;

  - шини ланцюгів живлення виконувати печатними провідниками шириною 2мм або навісними шинами;

  - шину "живлення" і шину "земля" розташовувати по можливості одне до одного;

  - в середньому на 30-50 корпусів МС встановлювати паpаметpичний конденсатор розв’язки ємністю 100*10^ (-9) Ф;

  - на вході ланцюгів живлення в осередок включати RC-фільтp: R=1 Ом, С= (6 - 10) ^ (-6) мкФ

ТТЛ-ТИП. Рекомендується:

  - як ланцюги живлення використати шари в БДП, навісні шини, мідні площини, наклеєні на ДП;

  - в випадку використання ДДП, якщо навісні шини живлення по будь-яким міркуванням використати не можна, виконувати заземлення ланцюга "земля" і ланцюга живлення в вигляді решітки друкованих провідників, по можливості максимально перекриваючи ними площу ДП;

  - зменшувати омічний опір ланцюгів живлення , домагаючись того, щоб падіння напруги на них по постійному струму не перевищувало 5-10мВ;

  - встановлювати для кожної ІС конденсатор індивідуальної розв’язки;

  - включати на вході ланцюгів живлення , безпосередньо за pоз'ємом електролітичний конденсатор ємністю до 100-200мкФ;

  - по можливості зменшувати індуктивність шин "земля" і "живлення" , хвильовий опір ланцюгів живлення , останнє найбільш просто досягається або використанням БДП, або навісних шин живлення, у вигляді "сандвіч" з мідних шин "земля" і "живлення" , між якими шар ізолятора з великою діелектричною постійної;

  - шунтувати резистори магістралей керамічними конденсаторами;

  - використовувати високочастотні фільтpи-пpобки у ланцюгах живлення між осередками і другорядним джерелом живлення .

"Інформаційна земля" і "силова земля" належні сходитися в одній фізичній точці (інакше - замкнутий контур!). Гальванічна розв’язка пристрою: тpансфоpматоp; оптpонна паpа; волоконно-оптичний канал.

PAGE  78


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

23522. History of the Mexicans as Told by Their Paintings 266 KB
  This edition is the only available complete English translation published one year after Joaquín García Icazbalceta first published the Spanish text in the Anales del Museo Nacional de México. Of the Mexican Year. Vchilobi 7 the younger brother and god of the Mexicans was born without flesh naciò sin carne but only bones in which condition he lived six hundred years during which period of time the gods did nothing whatever the father as well as the sons and in their representation there is no account taken of these six hundred...
23523. ПРОСТРАНСТВЕННО-ХРОНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИНДОЕВРОПЕЙСКОЙ ПРОБЛЕМЫ И КАРТА ПРЕДПОЛАГАЕМЫХ ПРАРОДИН ШЕСТИ НОСТРАТИЧЕСКИХ ЯЗЫКОВ 147.5 KB
  Очевидно что на карте помещены прародины праязыков потомков ностратических языков и что эта картина на несколько тысячелетий отстоит от эпохи ностратического единства датируемого А. Долгопольским VIII тыс. Хелимского: Этот период отделен от нас не одним десятком тысячелетий его ареалом был Южный Прикаспий [3 с. Терентьева считающих что по данным глоттохронологии возраст ностратической макросистемы определяется около 15 тыс.
23524. Водский язык в 19 – 20 веках 294.5 KB
  А теперь как здороваться и прощаться: Terve Tere päivä Тэрве Тэрэпяйвя Здравствуйте Добрый день Tere oomnikkoa Тэрэ оомниккоа Доброе утро Tere õhtagoa Тэрэ ыхтагоа Добрый вечер Jäämm yvässi Яямм ювясси До свидания Познакомимся теперь с так называемыми кумулятивными рунами: Kuza piippu Ađđaa nalla. Возьмем глаголы из прошлого урока и образуем от них будущее время: valaa €œналивать€ – valavad €œналивают€ – nõizõn valamaa €œбуду наливать€ juvva €œпить€ – joovad €œпьют€ – nõizõn joomaa €œбуду пить€ syvvä €œесть€ –...
23525. Повседневный арабский язык 1.95 MB
  Что касается ритма занятий то было бы оптимально если бы Вы прослушивали каждый день по новому разговору. Предисловие для преподающих арабский язык Дорогие коллеги Данный материал может быть использован для занятий как в группе так и индивидуально. Это господин Али альХаляби. Меня зовут Али альХаляби.
23526. АРАБСКИЙ ЯЗЫК В ДИАЛОГАХ 590 KB
  Разговор 3 В гостинице اَلْحِوَارُ اَلثَالِثُ فِي اَلْفُنْدُقِ Добрый вечер يُورِي: مَسَاءُ اَلْخَيْرِ Добрый вечер سَعِيدْ: مَسَاءُ اَلْخَيْرِ Меня зовут Юрий Кабанов. شُكْراً جَزِيلاً Не за что прощение اَلْعَفْوُ Разговор 6 Телефонный разговор مُكَالَمَةٌ هَاتِفِيَّةٌ Алло أَلُو Да кто на линии на проводе نَعَمْ، مَنْ عَلَى اَلْخَطِّ؟ Я Юрий из Москвы. Добро пожаловать господин Юрий Где ты сейчас أَهْلاً وَسَهْلاً يَا سَيِّدْ يُورِي أَيْنَ أَنْتَ اَلآنَ؟ Я сейчас в городе Фес в гостинице. Основная часть Разговор 1...
23527. Словарь шумеро-аккадского языка 849 KB
  Составление первого подобного словаря на русском языке при отсутствии картотеки картотека составлявшаяся в течение многих лет погибла во время Отечественной войны и блокады Ленинграда оказалось делом исключительно трудоемким и создание его потребовало большого напряжения и большой затраты сил хотя словарь этот включает только не большое число текстов рассчитанных для чтения на первых двух курсах обучения в университете и естественно не может претендовать на полноту. Струве вполне отвечает научным требованиям составления...
23528. Грамматика датского языка 475 KB
  they немое после l n r и перед t s dreng [дрэŋ] мальчик gade [гэ:ðэ] улица holdt [хольт] остановка e [e] [æ] [a] закрытое как в слове меч в конце открытое э перед g открытое a leve [лeвэ] жить spise [сби:сэ] есть jeg [яй] я meget [майэт] очень f [ф] как русское far [фа:] отец g [г] [у] [ŋ] [и] [ ] в начале слова г в середине или конце слова у носовое ŋ как в англ. слове sing после гласной и иногда немое в середине слова give [gi:væ] or [gi] give brag [брa'у] удар synge [сюŋэ] петь sang [саŋ] песня jeg...
23529. ГРАММАТИКА ИСПАНСКОГО ЯЗЫКА 1.03 MB
  1 Имя существительное – Nombre sustantivo В испанском языке существительные бывают: собственные Rosa Роза Carmen Кармен 2 нарицательные la mesa стол el árbol дерево одушевленные el hombre мужчина el gato кот неодушевленные el bosque лес la silla стул конкретные la cara лицо el techo потолок абстрактные el tiempo время el aire воздух собирательные la biblioteca библиотека la muchedumbre толпа 1. Существительные которые оканчиваются в единственном числе на согласные z и x меняют их во множественном числе на c:...
23530. Повседневный немецкий язык 1.92 MB
  ru Einleitung Введение Первая часть Herr Klein Guten Tag Hören Sie bitte zu Ich bin Dieter Klein. Ich bin Lehrer. Ich bin Deutscher. Ich spreche Deutsch.