Разработка измерителя влажности

Методика испытания изделия на виброустойчивость

Цель испытаний - проверка способности устройства противостоять разрушающему действию вибрации, выполнять свои функции и сохранять параметры в пределах норм, указанных в ТУ.

Производят внешний осмотр устройства и производят проверку работоспособности (соответствие параметров ТУ).

Поместить изделия в тару.

Микросхемы в таре закрепить на стенде.

Включить стенд и провести испытания (в направление указанном на таре "ВЕРХ" методом фиксированных частот) устройства в выключенном состояние с разным количеством, от 30…60 уд./мин. Произвести не менее 3-х циклов продолжительностью 10 мин каждый.

Выключить стенд, извлечь микросхемы из тары и произвести внешний осмотр, а также произвести проверку работоспособности (соответствие параметров ТУ).

Изделие считается выдержавшим испытания, если после проведения испытания внешний вид и параметры удовлетворяют ТУ, а также отсутствуют ослабление креплений и механические повреждения.

5. РАСЧЁТНО-КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ

5.1 Методика расчёта конструкции тонкоплёночных элементов

Расчёт тонкоплёночных резисторов

Конструктивный расчёт тонкоплёночных резисторов заключается в определении формы, геометрических размеров и минимальной площади, занимаемой резисторами на подложке. При этом необходимо, чтобы резисторы обеспечивали рассеивание заданной мощности при удовлетворении требуемой точности _R в условиях существующих технологических возможностей.

Порядок расчёта [4].

Определяем оптимальное с точки зрения минимума площади под резисторами ГИС сопротивление резистивной плёнки:

_Sопт = , (5.1)

где n - число резисторов;

R_i- номинал i-го резистора.

По справочным данным выбираем материал резистивной плёнки с удельным сопротивлением, ближайшим по значению к вычисленному _sопт. При этом необходимо, чтобы температурный коэффициент сопротивления (TKR) материала был минимальным, а удельная мощность рассеяния P₀ - максимальной.

Производят проверку правильности выбранного материала с точки зрения точности изготовления резисторов. Полная относительная погрешность изготовления плёночного резистора _R = R/R состоит из суммы погрешностей:

_R = _Kф + _s + _Rt + _Rст + _Rк , (5.2)

где _Kф - погрешность коэффициента формы;

_s - погрешность воспроизведения величины _s резистивной плёнки;

_Rt - температурная погрешность;

_Rст - погрешность, обусловленная старением плёнки;

_Rк - погрешность переходных сопротивлений контактов.

Погрешность коэффициента формы _Kф зависит от погрешности геометрических размеров - длины l и ширины b резистора:

_Kф = l/l + b/b. (5.3)

Погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления _s зависит от условий напыления и материала резистивной плёнки. В условиях серийного производства её значение не превышает 3 ... 5 %.

Температурная погрешность зависит от TKR материала плёнки:

_Rt = _R(T_max - 20^оC), (5.4)

где _R - температурный коэффициент сопротивления материала плёнки, 1/^оС.

Погрешность _Rст, обусловленная старением плёнки, вызвана медленным изменением структуры плёнки во времени и её окислением. Она зависит от материала плёнки и эффективности защиты, а также от условий хранения и эксплуатации. Обычно для гибридных интегральных схем _Rст не превышает 3%.

Погрешность переходных сопротивлений контактов _Rк зависит от технологических условий напыления плёнок, удельного сопротивления резистивной плёнки и геометрических размеров контактного перехода: длины перекрытия контактирующих плёнок, ширины резистора. Обычно _Rк = 1...2%. Если материал выбран в соответствии с табличными данными, то этой погрешностью можно пренебречь.

Допустимая погрешность коэффициента формы:

_{Kф доп} = _R - _s - _Rt - _Rст - _Rк . (5.5)

Если значение _{Kф доп} отрицательно, то это означает, что изготовление резистора заданной точности из выбранного материала невозможно. В этом случае необходимо выбрать другой материал с меньшим TKR либо использовать подгонку резисторов, если позволяет технологическое оборудование.

Определяем конструкцию резисторов по значению коэффициента формы К_ф:

К_фi = R_i/_s . (5.6)

При 1 К_фi 10 рекомендуется конструировать резистор прямоугольной формы (рис. 5.1а)), при К_фi 10 - резистор сложной формы (составной рис. 5.1б), меандр рис. 5.1в) или типа "змейка"), при 0,1 К_фi 1 - резистор прямоугольной формы, у которого длина меньше ширины (рис. 5.1г)). Конструировать резистор с К_фi<0,1 не рекомендуется, так как он будет иметь большие контактные площадки, и занимать значительную площадь на подложке.

Если в одной схеме содержатся низкоомные и высокоомные резисторы, можно использовать два резистивных материала, для выбора которых определяют _sопт сначала для всех резисторов по формуле (5.1), после чего разбивают резисторы на две группы так, чтобы R_{i max} первой группы было меньше, а R_{i min} второй группы - больше значения _sопт , вычисленного для всех резисторов. Затем по этой же формуле рассчитывают _sопт1 и _sопт2 и выбирают материалы для каждой группы резисторов в отдельности.

Дальнейший расчёт проводят в зависимости от формы резисторов.

17

а) б) в) г)

Рис. 5.1

Расчёт резисторов прямоугольной формы. Для резисторов, имеющих К_ф1, сначала определяют ширину, а затем длину резистора. Расчётное значение ширины резистора должно быть не менее наибольшего значения одной из трёх величин:

b _расч max {b _техн; b _точн; b _Р}, (5.7)

где b_техн - минимальная ширина резистора, определяемая возможностями технологического процесса [4,5];

b_точн - ширина резистора, определяемая точностью изготовления:

b _точн , (5.8)

(b, l - погрешности изготовления ширины и длины резистора, зависящие от метода изготовления [4,5]);

b_P - минимальная ширина резистора, при которой обеспечивается заданная мощность:

. (5.9)

За ширину b резистора принимают ближайшее к b_расч большее значение.

Далее находим расчётную длину резистора:

l _расч = bК_ф. (5.10)

За длину l резистора принимают ближайшее к l _расч значение.

Определяем полную длину резистора с учётом перекрытия контактных площадок:

l _полн = l +2е, (5.11)

где е - размер перекрытия резистора и контактных площадок [4,5].

Площадь, занимаемая резистором на подложке:

S = l _полн b. (5.12)

Для резисторов, имеющих К_ф 1, сначала определяют длину, а затем ширину резистора.

Расчётное значение длины резистора l _расч выбирают из условия:

l _расч max { l _техн; l _точн; l_Р}, (5.13)

где l _техн - минимальная длина резистора, определяемая разрешающей способностью выбранного метода формирования конфигурации;

l _точн - минимальная длина резистора, при которой обеспечивается заданная точность:

l _точн (l + b)/_Кф ; (5.14)

l_Р - минимальная длина резистора, при которой рассеивается заданная мощность:

l_Р =. (5.15)

За длину l резистора принимают ближайшее к l _расч значение.

Расчётную ширину резистора определяют по формуле:

b _расч = l/Кф. (5.16)

Расчёт резисторов типа "меандр". Резисторы типа "меандр" рассчитываем из условия минимальной площади, занимаемой резистором [4].

Расчёт меандра проводим после определения ширины b резистора в такой последовательности.

Определяем длину средней линии меандра:

l_ср = bК_ф . (5.17)

Задают расстояние между резистивными полосками а. С учётом технологических ограничений при масочном методе a_min = 300 мкм, при фотолитографии a_min = 100 мкм (обычно задают a=b).

Конструкция резистора типа "меандр"

17

Рис. 5.2

Находим шаг одного звена меандра:

t = a + b. (5.18)

Определяем оптимальное число звеньев меандра n_опт из условия, чтобы площадь, занимаемая резистором типа "меандр", была минимальной. Очевидно, это будет в случае, когда меандр вписывается в квадрат (L=B).

Если отношение длины средней линии меандра к ширине резистивной полоски больше 10, то оптимальное число звеньев меандра может быть вычислено по приближенной формуле:

n_опт (l _ср/t)(B/L). (5.19)

При L=B (меандр квадратной формы) и a=b выражение упрощается:

n_опт . (5.20)

Значение n_опт округляют до ближайшего целого.

Определяют длину меандра:

, (5.21)

где n - оптимальное число звеньев меандра, округлённое до ближайшего целого.

Вычисляем ширину меандра:

. (5.22)

Приведённые расчётные соотношения не учитывают, что в резисторах типа "меандр" плотность тока в изгибах неравномерна. Это приводит к сокращению электрической длины плёночного резистора и уменьшению его сопротивления. Неравномерное распределение плотности тока наблюдается в пределах трёх квадратов области изгиба (рис. 5.2).

Для уточнённого расчёта с учётом изгибов конструкцию резистора типа "меандр" можно представить в виде последовательно соединённых прямолинейных участков и изгибов. При этом его сопротивление можно определить как сумму сопротивлений прямолинейных участков и изгибов:

R=R_иm+l_пn_s/b, (5.23)

где R_и - сопротивление изгибов;

m - число изгибов;

l_п - длина прямолинейных участков;

n - число звеньев меандра.

Для изгиба под прямым углом R_и=2,55_s ,для П-образного изгиба R_и=4_s.

Отсюда длина прямолинейного участка одного звена меандра:

. (5.24)

После этого корректируют размеры L и B с целью обеспечения заданного номинала резистора.

Скорректированная ширина:

. (5.25)

Габаритная площадь резистора:

. (5.26)

Расчёт тонкоплёночных конденсаторов

Все характеристики тонкоплёночных конденсаторов: ёмкость, рабочее напряжение, температурный коэффициент ёмкости, частотные свойства и размеры - зависят от выбранных материалов [4].

Порядок расчёта:

Выбирают материал диэлектрика по рабочему напряжению в соответствии со справочными данными. Чтобы конденсатор занимал как можно меньшую площадь, нужно выбирать материал с возможно более высокими диэлектрической проницаемостью, электрической прочностью, а также малыми значениями ТКС и tg .

Определяем минимальную толщину диэлектрика из условия электрической прочности:

(5.27)

где К_З - коэффициент запаса электрической прочности (для плёночных конденсаторов К_З = 2...3);

U_раб - рабочее напряжение, В;

Е_пр - электрическая прочность материала диэлектрика, В/мм.

Определяем удельную ёмкость конденсатора (пФ/см²), исходя из условия электрической прочности:

. (5.28)

Здесь d в см.

Оцениваем относительную температурную погрешность:

, (5.29)

где _С - ТКС материала диэлектрика.

Определяем допустимую погрешность активной площади конденсатора:

 , (5.30)

где _с - относительная погрешность ёмкости конденсатора;

_Со - относительная погрешность удельной ёмкости, характеризующая воспроизводимость удельной ёмкости в условиях данного производства (зависит от материала и погрешности толщины диэлектрика и составляет 3...5%);

_Сt - относительная температурная погрешность;

_Сст - относительная погрешность, обусловленная старением плёнок конденсатора (зависит от материала и метода защиты и обычно не превышает 2...3%).

Если _Sдоп 0, то это означает, что изготовление конденсатора с заданной точностью невозможно, нужно выбрать другой материал диэлектрика с меньшей температурной погрешностью.

Определяем удельную ёмкость конденсатора с учётом точности его изготовления:

, (5.31)

где К_ф - коэффициент формы;

L - погрешность длины для масочного метода.

Определяем значение удельной ёмкости, при котором конденсатор будет занимать минимальную площадь на подложке:

. (5.32)

Производим окончательный выбор величины удельной ёмкости по формуле:

С₀ {C_0мин, C_0V, C_0точн}. (5.33)

Определяем коэффициент, учитывающий краевой эффект:

К=1, если С/С_о 5 мм²; (5.34)

К=1,3 - 0,06 С/С_о, если 1 С/С_о 5 мм². (5.35)

Определяем площадь верхней обкладки:

(5.36)

Если площадь перекрытия обкладок меньше 1 мм² , необходимо взять другой диэлектрик с меньшим значением , или увеличить толщину диэлектрика в возможных пределах, или конструировать конденсатор специальной формы.

Если площадь перекрытия обкладок больше 200 мм², требуется взять другой диэлектрик с большим значением , либо уменьшить толщину диэлектрика в возможных пределах, либо использовать в ГИС навесной конденсатор, удовлетворяющий исходным данным.

Для конденсаторов с приемлемой площадью можно выбрать конструкцию в виде двух взаимно пересекающихся полосок (рис. 5.3).

17

Рис. 5.3 Конструкция конденсатора с двумя взаимно пересекающимися полосками

Определяем размеры верхней обкладки конденсатора. Для обкладок квадратной формы (К_ф=1):

. (5.37)

Определяем размеры нижней обкладки конденсатора с учётом допусков на перекрытие:

, (5.38)

где q - размер перекрытия нижней и верхней обкладок конденсатора.

Вычисляем размеры диэлектрика:

, (5.39)

где f - размер перекрытия нижней обкладки и диэлектрика.

Определяем площадь, занимаемую конденсатором:

. (5.40)

5.2 Числовой расчёт плёночных элементов

Расчёт резисторов

Исходные данные: R1=R2=2,5 кОм, R3=15 кОм ; допустимое отклонение сопротивления резисторов от номинала _R = 10 %; мощности рассеяния Р = 0,125 Вт; максимальная рабочая температура Т = + 70 ⁰С.

В соответствии с формулой (5.1) рассчитываем оптимальное сопротивление квадрата плёнки:

_sопт = кОм.

Из справочных данных [4,5] известен лишь материал кермет К-50С, удельное сопротивление которого близко к полученному значению (_s = 5000 Ом/) и подходит для изготовления плёночных резисторов с данными номиналами.

Однако кермет К-50С требует в качестве материала контактных площадок применение золота с подслоем хрома (нихрома). Применение данных материалов приводит к усложнению технологического процесса, увеличению общих затрат.

Руководствуясь этими соображениями, по справочным данным выбираем материал резистивной плёнки - хром с удельным сопротивлением _sопт = 500 Ом.

Определяем температурную погрешность материала плёнки по (5.4):

_Rt = .

Допустимую погрешность коэффициента формы находим по (5.5):

_{Kф доп} = 10 - 3 - 0,3 - 3 = 3,7 %.

Рассчитываем коэффициенты формы по (5.6) и определяем конструкцию резисторов:

К_ф1 = К_ф2 = 2500/500 = 5,

К_ф3 = 15000/500 = 30.

Резисторы R1, R2 - прямоугольной формы, резистор R3 - типа "меандр".

Расчётную ширину резисторов находим по выражениям (5.7), (5.8), (5.9):

R1, R2: b _точн =

R3: b _точн =

С учётом округления принимаем:

b₁ = b₂=1,6 мм; b₃ = 0,65 мм.

Расчёт резисторов прямоугольной формы.

Длина резисторов по (5.10):

l₁ = l₂ = 8 мм.

По формуле (5.11) определяем полную длину резистора с учётом перекрытия контактных площадок:

l _полн1 = l _полн2 = 8 + 0,4 = 8,4 мм.

Площадь резисторов по (5.12):

S₁ = S₂ = 13,44 мм².

Расчёт резистора типа "меандр".

Определяем длину средней линии меандра по (5.17):

l_ср3 = 19,5 мм.

С учётом a=b по (5.18) находим шаг одного звена меандра:

t₃ = 1,3 мм.

По (5.19) определяем оптимальное число звеньев меандра n_опт :

n_опт3 = 5.

Длину меандра определяем по (5.21):

L₃ = 6,5 мм.

Ширина меандра по (5.22):

B₃ = 3,25 мм.

По формуле (5.24) определяем длины прямолинейных участков:

l_п3 = 1,3 мм.

Окончательные габаритные размеры резистора по (5.21) и (5.25):

L₄ = 6,5 мм, B₄ = 3,9 мм.

Габаритная площадь резистора (5.26):

S₄ = 25,35 мм².

Расчёт тонкоплёночных конденсаторов

Исходные данные: С₁ = 120 пФ, С₂ = С₃ = 15 пФ; допустимое отклонение ёмкости от номинала _C1 = _C2 = _C3 = 10 %; рабочее напряжение U_раб = + 5 В; максимальная температура Т_макс = 70 ^oС; максимальная рабочая частота f_макс = 4000 кГц.

По справочным данным с учётом вышеизложенных рекомендаций и требований выбираем материал диэлектрика конденсаторов - моноокись кремния [4,5].

Определяем минимальную толщину диэлектрика из условия электрической прочности (5.27):

По (5.28) определяем удельную ёмкость конденсатора (пФ/см²):

.

Согласно (5.29) оцениваем относительную температурную погрешность:

.

По формуле (5.30) определяем допустимую погрешность активной площади конденсатора:

Минимальную удельную ёмкость для обеспечения точности изготовления наименьшего по номиналу конденсатора определяем по (5.31):

пФ/мм².

Определяем, какова должна быть удельная ёмкость наименьшего по номиналу конденсатора с учётом технологических возможностей изготовления по площади перекрытия обкладок и толщине диэлектрика. Задаём S_мин = 1 мм². Тогда по (5.32):

пФ/мм².

Таким образом, получены три значения удельной ёмкости:

С_OV = 1062 пФ/мм²; С_Oточн = 33,75 пФ/мм²; С_Oмин = 15 пФ/мм².

Согласно условию (5.33), выбираем С_Омин = 15 пФ/мм².

Определяем, какая толщина диэлектрика соответствует выбранной удельной ёмкости С_О :

см, что не соответствует технологии.

Выберем С_О = 33,75 пФ/мм². Тогда см, что также не соответствует тонкоплёночной технологии.

Выберем С_О = 120 пФ/мм² (что соответствует второму наименьшему номиналу конденсаторов).

Тогда см, что удовлетворяет тонкоплёночной технологии.

Расчёт конденсатора С3 . Определим отношение С/С₀ :

С3/С0 = 120/120 = 1 мм².

Определяем коэффициент, учитывающий краевой эффект по (5.34), (5.35):

К₃ = 1,24.

Площадь верхней обкладки (5.36):

S₃ = мм².

Форма обкладок конденсатора С3 - перекрещивающиеся полоски квадратной формы (Кф=1).

Размеры верхних обкладок по (5.37):

L₃=B₃ =мм.

Размеры нижних обкладок по (5.38):

L_н3=B_н3 = 1,11 мм.

Размеры диэлектрика (5.39):

L_д3=B_д3 = 1,11+1=2,11 мм.

Площади конденсаторов по диэлектрику (5.40): S_д3= 4,45 мм².

Расчёт конденсаторов специальной формы

Расчёт конденсатора С1. Данный конденсатор имеет гребенчатую конструкцию (рис. 5.4), а его ёмкость определяется краевым эффектом [5].

17

Рис. 5.4 Конструкция гребенчатого конденсатора

Ёмкость гребенчатого конденсатора определяется формулой [5]:

, (5.41)

где Сп - погонная ёмкость конденсатора, определяется по графику [5];

_ср - средняя относительная диэлектрическая проницаемость, рассчитываемая как (_п - относительная диэлектрическая проницаемость подложки, _пок - относительная диэлектрическая проницаемость защитного покрытия);

l - длина средней линии, мм.

В качестве защитного покрытия используем фоторезист ФН-11, тогда:

_ср = (9,1+6)/2 = 7,55.

Погонная ёмкость

С_п = 0,17 пФ/мм (при a=b₁=b₂).

Длина средней линии

l = 15/() = 11,69 мм.

Задаём

a=b= 0,25 мм.

5.3 Размещение элементов

Из стандартных размеров подложек выберем подложку размером 60х48 мм².

Сначала разместим периферийные контактные площадки [7]. Они должны находиться по краям платы, симметрично по противоположным сторонам. В данной работе ГИС имеет шестнадцать периферийных контактных площадки с расстоянием между соседними 3 мм. Размер контактных площадок 3х3 мм². Вывод контактной площадки с номером один располагается в зоне ключа, которая находится в нижнем левом углу платы. Выводы микросхемы имеют следующее назначение:

1 вывод - 1-ый индикатор;

2 - 5, 9 - 12 выводы - индикаторы;

6 вывод - подключение кварца 4 МГц;

7 вывод - подключение кварца 4 МГц + выход кварцевого генератора;

8 вывод - "общий";

13 вывод - подключение кварца 10 МГц;

14 вывод - подключение кварца 10 МГц;

15 вывод - 2-ой индикатор;

16 вывод - питание (+5 В).

После размещения контактных площадок размещаем элементы так, чтобы получить минимальное число пересечений проводников (или его отсутствие) и минимальную суммарную длину проводников. Для этого сначала размещаем наиболее связанные между собой элементы, которые располагаем рядом друг с другом.

Совмещённая топология представлена на [2008-00-992.04.00].

5.4 Конструктивные меры защиты интегральных микросхем от воздействия дестабилизирующих факторов

Обеспечение защиты от коррозии

Одной из причин отказов тонкоплёночных проводников и микросхем в целом является недостаточная коррозионная стойкость металлов, используемых для формирования плёночных структур.

Попадание влаги на микросхему до герметизации может привести к разрушению металлизации. Для защиты микросхемы от коррозии необходимо покрыть её поверхность слоем изолирующего диэлектрического материала. Для этого используют плёнки SiO₂, SiO, GeO, негативный фоторезист ФН-103, фоторезист ФН-11 и другие [4].

Однако так как в этом изолирующем слое должны быть образованы окна на контактных площадках под сварные контакты, существует проблема обрыва цепей из-за коррозии металлизации в указанных областях. Для решения этой проблемы используется герметизация лаками и компаундами.

Для защиты микросхемы, разработанной в ходе данного проекта, используется фоторезист ФН-11.

Герметизация как метод защиты от дестабилизирующих факторов

Основным способом защиты интегральных микросхем от воздействия дестабилизирующих факторов (температуры, влажности, солнечной радиации, пыли, агрессивных химических и биологических сред, механических воздействий) является герметизация. Её осуществляют с помощью специально разработанных конструкций - корпусов, в которых размещают ГИС, либо нанесением защитных материалов непосредственно на поверхность ГИС.

В настоящее время бескорпусные ГИС разрабатываются для эксплуатации в составе ячеек и блоков микроэлектронной аппаратуры, которые подвергаются общей герметизации.

Герметизация законченного функционального устройства, каким является интегральная микросхема, позволяет одновременно защитить от влияния окружающей среды всю совокупность элементов схемы.

Начальным этапом герметизации часто является предварительная защита поверхности ГИС. Для этого используют плёнки SiO₂, SiO, GeO, негативный фоторезист ФН-103. Поверх этих сравнительно тонких слоёв электрически и химически инертных материалов наносят герметики: лаки ФП-525, УР-231, эмаль ФП-545, компаунды Ф-47, ЭК-91, ПЭП-177, ПЭК-19. Лаки и эмали наносят в электростатическом поле распылением из пульверизатора, погружением или поливом. Компаунды наносятся методом обволакивания или вихревым напылением до образования оболочки толщиной 0,2...1,2 мм [4].

Обеспечение влагозащиты

Необходимость влагозащиты ГИС возникает при использовании герметизирующих полимерных материалов. В отличие от неорганических эти материалы обладают повышенными значениями влагопоглощения и влагопроницаемости.

Потеря работоспособности ГИС, герметизированных в монолитные конструкции, вызывается поглощением герметизирующим материалом влаги и увлажнением поверхности ГИС. При достижении критической концентрации, соответствующей критическому давлению паров воды, наступает отказ ГИС.

В качестве герметизирующего материала используем тиксотропный компаунд Ф-47 [4] [2008-00-992.07.00 СБ].

5.5 Обеспечение надёжности гибридных интегральных схем

Основные тенденции в развитии современной электроники - миниатюризация, интегральное и гибридное исполнение, использование новых физических эффектов - существенно усложняют прогнозирование надёжности на основе анализа физико-химических процессов, происходящих в приборах и системах. С другой стороны, это единственный путь научно-обоснованного прогнозирования.

Традиционно, особенно в условиях массового производства, надёжность изделий электронной техники и отдельных компонентов определялась статистическими методами, на основе специальных испытаний или по результатам эксплуатации. Это в своё время позволило неуклонно повысить показатели надёжности и совершенства технологии производства. Однако в последнее время метод испытаний стал малоэффективен по следующим причинам.

1) Повышение надёжности компонентов и устройств сделало длительность испытаний на отказ дорогой и практически неосуществимой.

2) Проведение, так называемых, ускоренных испытаний, требует знания и понимания механизмов отказа, то есть сложных физико-химических процессов, происходящих в элементах, компонентах и изделиях в целом.

3) Обновление микросхем идет настолько динамично, что испытания, как таковые, вообще подчас теряют смысл. Кроме того, фирмы-производители, как правило, переходят на микросхемы частного применения, разрабатываемые и выпускаемые малыми сериями для конкретного устройства.

Все вышеперечисленные причины указывают на необходимость разработки расчётных методов прогнозирования надёжности компонентов и изделий на основе знания свойств исходных материалов, технологических процессов и особенностей их конструкции. Однако в настоящее время разработка таких методов с применением физического и математического моделирования по существу только начинается и является предметом скорее науки, чем практики.

В данной дипломной работе осуществляется прогностический расчёт надёжности [9].

Так как интенсивности отказов комплектующих изделие элементов являются сложной многопараметрической функцией, то математическая модель прогностического расчёта надёжности простого изделия представляется в виде:

, (5.43)

где - суммарное значение интенсивности отказов модуля;

К_э - коэффициент зависимости от условий эксплуатации;

К_у - коэффициент роста надёжности комплектующих изделий;

_pi - рабочая интенсивность отказов i-ого комплектующего элемента.

Рабочие интенсивности отказов комплектующих элементов определяются зависимостью:

, (5.44)

где _0i - справочное значение интенсивности отказов i-ого комплектующего элемента для нормальных условий [9];

а_i - поправочный коэффициент, учитывающий влияние электрической и тепловой нагрузки элемента на интенсивность его отказов [9].

Среднее время безотказной работы определяется отношением:

. (5.45)

Все данные по расчёту интенсивности отказов ГИС сведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1 Расчёт интенсивности отказов модуля

№ п/п	Элемент или группа элементов	Кол. эле-мен-тов, шт.	Режим работы	Интенсивность отказов
			КН	аi	в нормальном режиме 0 10-6 ,1/ч	в рабочем режиме р 10-9 ,1/ч	группы элементов р 10-9 ,1/ч
1	Конденсаторы плёночные	3	0,2	0,12	0,02	2,4	7,2
2	Резисторы плёночные	3	0,1	0,1	0,01	1	3
3	Микросхемы	3	1	1	0,2	200	600
4	Пайки	38	-	-	0,001	1	30
5	Сварки	16	-	-	0,0005	0,5	8
Итого	648,2

Имеем: К_э=1; К_у=0,95.

Интенсивность отказов ГИС в целом:

= 6,1579 10^-7 1/час.

Среднее время безотказной работы:

Т = 1 623 930 часов или 185 лет, что удовлетворяет параметрам надёжности.

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе дипломной работы был разработан автоматизированный пьезоэлектрический измеритель влажности для контроля технологических сред, параметры которого полностью удовлетворяют требованиям технического задания. Измеритель позволяет с достаточно высокой точностью определить уровень влажности, который является важным параметром многих технологических процессов, и от которого в дальнейшем зависит работоспособность и качество будущего изделия.

В рамках работы разработана структурная, функциональная и принципиальная схемы устройства, топология и конструкция измерителя в виде ГИС. Произведены исследования зависимости частоты пьезокварцевого сенсора от влажности газовой среды.

В технологическом разделе приведены обоснования выбора материалов для ГИС; рассмотрены методы формирования тонкоплёночных структур; описаны техпроцесс производства измерителя и его испытания.

В конструкторском разделе рассчитана конструкция измерителя в виде ГИС; определены методы защиты измерителя от дестабилизирующих факторов и рассчитана надёжность изделия.

В организационно-экономическом разделе разработан сетевой график выполнения дипломной работы и произведён расчёт параметров экономической эффективности:

затраты на НИОКР - 23300 руб.;

себестоимость изделия - 483 руб.;

экономический эффект за 5 месяцев - 5105 руб.

В рамках раздела охраны труда произведён анализ потенциально опасных и вредных производственных факторов на рабочем месте.

Разработанный измеритель имеет следующие параметры:

диапазон измеряемой влажности 10 ...100 %;

погрешность измерителя 1 %;

среднее время безотказной работы 185 лет.

Измеритель влажности в различных своих модификациях может встраиваться в технологические объёмы или различное оборудование. Он позволяет легко и быстро анализировать результаты, даёт возможность автоматического контроля или анализа влажности в сопряжении с различными устройствами управления технологическими процессами или ЭВМ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бегунов А.А. Теоретические основы и технические средства гигрометрии. Метрологические аспекты. - М.: Издательство стандартов, 1988. - 176 с. с ил.

2. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Учеб. пособие для вузов. - Л.:Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983. - 320 с., ил.

3. Аванесян Г.Р., Левшин В.П. Интегральные микросхемы ТТЛ, ТТЛШ: Справочник. - М.: Машиностроение, 1993. - 256 с.: ил.

4. Конструирование и технология микросхем. Курсовое проектирование: Учеб. пособие для вузов / Коледов Л.А., Волков В.А., Докучаев Н.И. И др.; Под ред. Л.А. Коледова. - М.: Высш. шк., 1984. - 231 с., ил.

5. Конструкции и технология микросхем частного применения: Учеб. пособие к курсовому проекту / В.Г. Сергиев, Б.Н. Лысов, В.Е. Никитин, А.Д. Французов; Под ред. В.Г. Сергиева. - Челябинск: ЧПИ, 1983. Ч. I. - 78 с.

6. Сергиев В.Г., Колмакова Н.С., Смыслова Р.В. Технология микроэлектронных устройств: Учебное пособие / Под ред. В. М. Березина. - Челябинск: Изд. ЧГТУ, 1996. - 93 с.

7. В.Г. Сергиев и др. Конструкции и технология микросхем частного применения: Учеб. пособие к курсовому проекту / В.Г. Сергиев, Б.Н. Лысов, В.Е. Никитин, А.Д. Французов; Под ред. В.Г. Сергиева. - Челябинск: ЧПИ, 1984. Ч. II. - 82 с.

8. Ефимов И.Е., Кальман И.Г., Мартынов В.И. Надёжность твёрдых интегральных схем. Изд. 2-е, испр. М., Издательство стандартов, 1979, с. 217.

9. Едрёнкин Э.Д., Березин В.М. Расчёт надёжности электронных средств: Учебное пособие. - Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 1999. - 18 с.

10. Сетевые методы планирования и управления: Методические указания к курсовому проекту для студентов приборостроительного факультета / Составители: В.С. Зинкевич, Л.А. Баев, Н.П. Мешковой. - Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 1998. - 22с.

11. Организационно-экономический раздел дипломного проекта конструкторского направления: Учеб. пособие для студентов приборостроительного факультета / Мешковой Н.П., Закиров Р.Ш., Зинкевич В.С., Попов Г.С.; Под ред. Н.П. Мешкового. - Челябинск: ЧГТУ, 1990. - 53 с.

12. Методические указания по дипломному проектированию для студентов приборостроительного факультета. (Раздел "Охрана труда") / Составитель Н.М. Мирзаева; Под ред. А.И. Сидорова. - Челябинск: ЧПИ, 1989. - 15 с.

13. Охрана труда и окружающей среды в радиоэлектронной промышленности / К.Н. Ткачук, Р.В. Сабарно, А.Г. Степанов, Е.Н. Шкляренко: Учеб. пособие. - К.: Выща шк. Головное издательство, 1988. - 240 с., ил.

14. Охрана труда в электроустановках: Учебник для вузов / Под ред. Б.А. Князевского. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 336 с., ил.

15. Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках: Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 448 с., ил.

16. Усатенко С.Т., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД. Справочник. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство стандартов, 1992. - 316 с.

17. Разработка и оформление конструкторской документации РЭА: Справ. пособие / Э.Т. Романычева, А.К. Иванова, А.С. Куликов, Т.П. Новикова. - М.: Радио и связь, - 1984. - 256 с., ил.