Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ
УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ» (ТУСУР)
Кафедра конструирования узлов и деталей РЭА (КУДР)
Пояснительная записка к дипломному проекту
РКФ ДП. 411733.100 ПЗ
УСТАНОВКА ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕГРАДАЦИИ ГЕТЕРОСТРУКТУР
СВЕТОДИОДОВ
СОГЛАСОВАНО
Консультант по экономике
доцент кафедры экономики
кандидат экономических наук
Р.В. Черская
Студент группы 237-2
А.В. Ермолаев
2012г.
РЕФЕРАТ
Объектом разработки является специализированная установка для изучения степени деградации гетероструктур СИД. Представлены: конструкция установки, удовлетворяющие требованиям технического задания.
Цель проекта - разработать конструкцию лабораторной установки в рамках эскизного проекта и блока УФ подсветки, произвести расчёты надёжности, теплообмена, собственной частоты печатного узла, технико-экономического обоснования проекта и БЖД.
В ходе работы над дипломным проектом было проанализировано техническое задание. Выполнен аналитический обзор по деградационным явлениям в гетероструктурах СИД и методам их изучения, с целью выявления конструктивных требований на установку, разработана схема электрическая принципиальная блока УФ подсветки, подобрана элементная база, спроектированы конструкция устройства и печатная плата, проведены необходимые конструкторские расчёты, технико-экономическое обоснование и разработаны меры по охране труда при производстве установки.
Пояснительная записка выполнена в текстовом
редакторе Microsoft
Office Word
2003. Графические материалы - в системах автоматизированного проектирования
Компас-3D
V12, Altium
Designer, Solid
Works 2010.
THE ABSTRACT
object is to develop a specialized unit for studying the degree of degradation of the LED heterostructure. We present the construction of the installation that meet the requirements of the specification.
The aim of the project to develop a design laboratory setting within the framework of conceptual design and block UV light, to produce estimates of reliability, heat transfer, the natural frequency of the printhead, the feasibility of the project and BC.
While working on the degree project was
evaluated on the technical task. Performed an
analytical review of the degradation phenomena in heterostructures and LED
methods their study, to identify construction-setting requirements for the
installation, a scheme for electric fundamentally block UV light, selected element
base, construction designed devices and printed circuit board designer,
conducted the necessary engineering calculations, feasibility study and develop
measures designed to protect labor in the production plant.explanatory note is
made in a text editor, Microsoft Office Word 2003. Graphics - in computer-aided
design Compass-3D V12, Altium Designer, Solid Works 2010.
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
на дипломный проект «Установка для комплексного исследования деградации гетероструктур светодиодов»
Этап работы: эскизный проект
Исполнитель: студент гр. 237-2 Ермолаев Александр Валерьевич
оканчивающий университет по специальности 210201
приказ ректора № 4012 от 20.04.2012 г.
Дата сдачи законченного проекта (работы) на кафедру ____
Руководитель дипломного проекта (работы): профессор кафедры КУДР, доктор физ.-мат. наук, Еханин Сергей Георгиевич
Официальные консультанты: по экономике - доцент каф. экономики, кандидат экономических наук, Черская Регина Васильевна, по безопасности жизнедеятельности - доцент кафедры РЭТЭМ, кандидат хим. наук, Екимова Ирина Анатольевна.
1 Наименование и область применения
Установка для комплексного исследования деградации гетероструктур светодиодов, применяется в области научных исследований.
Основание для разработки
Задание на дипломный проект. Приказ № 4012, ТУСУР, кафедра КУДР.
Цель и назначение разработки
.1 Разработка имеет целью создание конструкции специализированной установки для контроля качества и степени деградации гетероструктур и определения оптимальных режимов работы СИД.
.2 Разработка выполняется с применением САПР.
.3 Изделие предназначено для научно-исследовательских работ.
Источники разработки
.1 Проект ГПО КУДР-1003 Изучение деградации светодиодных гетероструктур методом измерения ВАХ в области микротоков
.2 Зайдель А. Н., Островская Г. В., Островский Ю. И. Техника и практика спектроскопии. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука». 1976 г.
.3 Опадчий Ю. Ф., Глудкин О. П., Гуров А. И. Аналоговая и цифровая электроника. М.: Горячая линия - Телком, 2005. - 768 с.: ил.
Технические требования
.1 Состав изделия и требований к конструкции устройства
.2 Установка собирается из стандартной аппаратуры с разработкой необходимой оснастки. Блок питания ультрафиолетовой лампы должен быть выполнен в покупном корпусе.
.2.1 В корпусе должны быть предусмотрены разъёмы для проводов питания.
.2.2 Печатный узел (ПУ) должен быть выполнен на жёсткой односторонней печатной плате (ОПП).
.2.3 Площадь ПП выбирается на усмотрение разработчика. Класс точности проводящего рисунка - 1 по ГОСТ 23751-86.
.3 Технические показатели
Параметры оптического канала установки:
Апертура 0,17 для МИМ-7;
Фокусное расстояние 23,2 мм для МБС-10;
Оптическое увеличение общее до 5000 раз;
Площадь исследуемого образца от 0,1х0,1 мм до 10х10 мм
Параметры блока УФ подсветки:
Напряжение питания 220 В
Частота питающей сети 50 Гц
Максимальный ток нагрузки 5 А
Напряжение на лампе 16-25 В
Параметры канала измерения ВАХ светодиода:
Допустимое напряжение питания: 10 - 30 В;
Максимальный ток, подаваемый на светодиод: 200 мА;
Минимальный шаг приращения тока: ~1 мА;
Длительность импульса тока в импульсном режиме измерения: 0.4 мс;
Диапазон измеряемых температур: 0-100 оС;
5.4 Требования к надёжности
.4.1 Срок службы изделия - 20 000 ч.
.4.2 Время непрерывной работы - 8 ч.
.4.3 Значения вероятности безотказной работы прибора в течение срока службы и времени непрерывной работы по 5.4.1, 5.4.2 должны быть определены в процессе разработки и подлежат согласованию с Заказчиком. Средняя наработка на отказ уточняется в процессе разработки на стадии эскизного проекта.
.5 Условия эксплуатации
Условия эксплуатации должны отвечать следующим требованиям по ГОСТ 16962-71.
По вибрационным нагрузкам степень жёсткости I диапазон частот 1-35 Гц, максимальное ускорение 0,5 g;
По ударным многократным нагрузкам степень жёстокости I ускорение не более 15 g длительность удара 2-15 мс;
По одиночным ударным нагрузкам степень жёсткости I ускорение более 4 g, длительность удара 40-60 мс;
По линейным (центробежным) нагрузкам степень жёсткости I ускорение равно 10 g;
По температуре воздуха при эксплуатации степень жёсткости I - нижнее значение плюс 1оС;
По температуре воздуха при эксплуатации степень жёсткости I - верхнее значение плюс 40оС;
По температуре воздуха при транспортировке и хранении степень жёсткости I нижнее значение минус 50оС;
По температуре воздуха при транспортировке и хранении степень жёсткости I верхнее значение плюс 50оС.
.6 Требования к технологичности
Общая трудоёмкость изделия должна быть минимальной: уточняется в процессе разработки изготовления макетов на стадии разработки рабочей документации опытного образца.
.7 Требования к уровню унификации и стандартизации
В изделии должны быть максимально использованы конструктивные решения, используемые промышленностью. Разработка и применение оригинальных деталей подлежит согласованию с заказчиком.
.8 Эстетические и эргономические требования
.8.1 Конструкция должна соответствовать общим требованиям безопасности по ГОСТ 12.2.007.0 - 75 - «Эстетические и эргономические требования».
.8.2 Компоновка органов управления, контроля и настройки; конструкция передней должна соответствовать современным требованиям эргономики и технической эстетики.
Экономические показатели
Себестоимость изделия должна быть минимально возможной.
Стадии и этапы разработки
Стадия разработки - эскизный проект.
Материалы, предъявляемые по окончании работы
.1 Пояснительная записка с подробной проработкой следующих вопросов:
1) аналитический обзор;
2) анализ ТЗ;
) определение состава установки;
) определение последовательности измерений и испытаний;
) описание работы установки;
) конструкторские расчёты;
) технологическое обоснование;
) технико-экономическое обоснование проекта;
9) разработка вопросов охраны труда при производстве;
10) список использованных источников;
8.2 Прочие документы (схемы, чертежи и т. п.):
1) структурная схема установки;
2) демонстрационный лист (внешний вид и состав установки);
) демонстрационный лист (автоматизированного построителя ВАХ);
) схема электрическая принципиальная блока питания УФ лампы;
) схема сборочного состава блока питания УФ лампы;
) печатный узел блока питания УФ лампы - сборочный чертёж;
) сборочный чертёж блока питания УФ лампы;
8) чертежи отдельных деталей;
9) технологическая схема сборки;
10) экономическая часть.
8.3 Требования к предъявляемым материалам
Все предъявленные материалы должны соответствовать требованиям действующих стандартов, методических указаний по дипломному проектированию и образовательным стандартам ОС ТУСУР 6.1 - 97.
.4 Макеты
Оптический блок, блок УФ подсветки,
автоматический построитель ВАХ.
Обозначения и
сокращения
СИД - светоизлучающий диод
СДУ - светодиодное устройство
ЭЛ - электролюминесценция
ВАХ - вольтамперная характеристика
SEM - растровая электронная микроскопия
FIB - фокусированный ионный пучок
AFM - атомно-силовая микроскопия
GaN - нитрид галлия
AlN - нитрид алюминия СИД - светоизлучающий диод
МОГФЭ - металлорганическая газофазная эпитаксия
ППИ - полупроводниковые изделия
КПД - коэффициент полезного действия
ЭМП - электромагнитные помехи
УФ - ультрафиолет
КД - конструкторская документация
УИР - учебно-исследовательская работа
ОКР - опытно-конструкторские работы
НИР - научно-исследовательская работа
ШИМ - широтно-импульсная модуляция
ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь
АЦП - аналого-цифровой преобразователь
УИТ - управляемый источник тока
ОУ - операционный усилитель
РЭА - радиоэлектронная аппаратура
БП - блок питания
ЭРИ - электрорадиоизделие
РЭС - радиоэлектронное средство
ОПП - односторонняя плата
ИМС - интегральная микросхема
ФУ - функциональный узел
ПК - персональный компьютер
БИС - большая интегральная микросхема
СБИС - сверхбольшая интегральная микросхема
КП - контактная площадка
ДПП - двухсторонняя печатная плата
МПП - многослойная печатная плата
ПП - печатная плата
ЭРЭ - электрорадиоэлемент
СМИ - средства массовой информации
ДРШ - дуговая ртутная шаровая лампа
ТЗ - техническое задание
ПУ - печатный узел
ЭВМ - электронно-вычислительная машина
ПЭВМ - персональная электронно-вычислительная машина
БЖД - безопасность жизнедеятельности
САПР - система автоматизированного проектирования
ЛАТР - лабораторный автотрансформатор
ТКН - температурный коэффициент напряжения
ЭТУ - эксплуатационно-технический уровень
UART - универсальный асинхронный приёмопередатчик
МИМ-7 - микроскоп металлографический
МБС-10 - микроскоп бинокулярный стереоскопический
ДЗП - дополнительная заработная плата
ОЗП - основная заработная плата
ОВПФ - опасные и вредные производственные факторы
КЕО - коэффициент естественной освещённости
Введение
Стремительное развитие технологии производства светоизлучающих структур в последние годы привело к значительным успехам в области повышения качества приборов на их основе. Существенно увеличилось число различных конструкций и типов, серийно производимых кристаллов, изготовленных на основе эпитаксиальных гетероструктур твёрдых растворов, позволяющих создавать источники излучения с любыми необходимыми характеристиками для различных сфер применения. Большой выбор цветов свечения, комбинация мощного излучения с любой формой его пространственного распределения и с возможностью получения любого цветового оттенка в широком динамическом диапазоне интенсивностей излучения открывают огромные перспективы использования светоизлучающих диодов на основе этих структур в качестве источников света для различных устройств. Однако, имеют место некоторые проблемы при изготовлении как самих гетероструктур, так и светодиодов на их основе, которые до сих пор недостаточно исследованы. Отсутствие методов комплексного решения этих проблем на стадии производства излучающих кристаллов и технологии их сборки в светодиодах существенно ограничивает применение готовых приборов в большинстве устройств специальной сигнализации (светофоры, световая сигнализация [1]), в устройствах ответственного применения с повышенной степенью надёжности (судовое, шахтное и аварийное освещение) и в устройствах стратегического назначения (военная и космическая техника). Наиболее значимой из всего спектра существующих проблем является проблема изменения (деградации) всего комплекса первоначальных параметров излучающих структур и светодиодов в целом. На практике это проявляется в виде изменения значений некоторых характеристик устройств с исполнительной частью на светодиодах, приводящее к искажению визуального восприятия информации человеком.
Важной особенностью полупроводниковых источников света является то, что они, в отличие от традиционных ламп, через 50-100 тысяч часов не выходят из строя. Наблюдается лишь постепенное снижение их светового потока [1-3].
В настоящее время производители светодиодов имеют цель - повысить эффективность светодиодов и снизить их стоимость.
Увеличение эффективности выхода света может быть реализовано различными способами: усовершенствованием качества материалов, улучшением структуры чипа и технологии его формирования, текстурированием поверхности, улучшением свойств подложки и т.д. Однако это требует больших дополнительных капиталовложений и времени.
Снижение стоимости света может быть достигнуто увеличением плотности тока, проходящего через светодиодный чип. Если зависимость квантового выхода от прямого тока падает линейно до определенного значения тока без насыщения, то поток света, исходящий от одного эмиттера с тем же самым размером чипа, может быть повышен в несколько раз при более высоких значениях токов.
Приборы на основе нитрида галлия являются, в настоящее время, наиболее перспективными для создания осветительных ламп благодаря большой ширине запрещенной зоны и высокой теплопроводности. Эти свойства обеспечивают возможность повышения рабочих токов, допустимой рабочей температуры и получение большой яркости света.
Вместе с тем, стремление к дальнейшему повышению выхода светового потока неизбежно приводит к увеличению прямого тока через кристалл полупроводника, и как следствие, увеличению тепловыделения.
Вследствие этого, использование мощных светодиодов связано с потенциальной возможностью чрезмерного увеличения температуры перехода, от которой напрямую зависят надежность и световые характеристики СИД. При условии соблюдения рекомендованных производителем тепловых режимов, срок службы СИД может достигать 10 лет. Нарушение же теплового режима (обычно это работа с температурой перехода более 120...125°С) может привести к снижению срока службы до 10 раз [2]. Кроме того, повышение температуры перехода приводит к снижению яркости свечения и смещению рабочей длины волны СИД, что негативно влияет на качество цветного изображения светодиодных дисплеев [1,2].
Улучшение качества основных параметров СИД идет в основном по пути применения современных технологических процессов, совершенствования материалов и структур, а также по пути разработки оптимальных конструктивно-технологических решений. В тоже время проблема деградации СИД остается актуальной и, несмотря на непрекращающиеся исследования этого явления, многие вопросы остаются открытыми и требуют своего решения [6]. Сложность проблемы состоит в том, что параметры и характеристики СИД на основе многокомпонентных растворов в сильной степени зависят от метода и технологии изготовления, типа и концентрации легирующей примеси, структурных дефектов и целого ряда других факторов. СИД деградируют и во время работы.
Известно [1-4], что деградация интенсивности электролюминесценции СИД, полученная при более высокой плотности тока, превосходит значения, наблюдаемые при низкой плотности тока даже при более высокой температуре окружающей среды. Это свидетельствует о том, что основной причиной деградации интенсивности электролюминесценции гетероструктур является повышенная плотность тока, а не окружающая температура. Эти факты следует иметь в виду при эксплуатации СИД на повышенных плотностях тока.