Название: Конструирование РЭС (Н.С. Шляпников)

Жанр: Радиотехнический

Просмотров: 1587


4.1. конструирование цифровых функциональных ячеек и блоков на бескорпусных микросборках

 

Главной особенностью конструкций цифровых РЭС на бескорпусных микросборках является возможность уменьшения объема в пять раз и массы в три раза по сравнению с конструкциями этого уровня на корпусированных микросхемах. Одновременно повышается и надежность изделий за счет уменьшения числа паяных соединений и увеличения интеграции микросборок. Вместе с тем появляется ряд специфических существенных особенностей и требований к новым конструкциям. Рассмотрим их более подробно.

Значительное уменьшение объема в цифровых ФЯ с одновременным увеличением быстродействия их  работы,  а  следовательно, и  увеличением  потребляемой  мощности

приводит к резкому возрастанию тепловой напряженности в них и нарушению нормального   теплового   режима,  что   вызывает   отказы  в   работе.  Поэтому  первой

специфической чертой новых конструкций ФЯ цифрового типа является наличие в них мощных и эффективных теплоотводов. Такими теплоотводами являются металлические

основания под бескорпусными МСБ и, в частности, металлические рамки. Эти рамки, как правило, выполняют из алюминиевых сплавов АМг, АМц, В95, имеющих высокие значения коэффициентов теплопроводности (160...180 Вт/(м.К)). Вторая специфическая особенность этих конструкций заключается в том, что размещаемые на металлических

рамках   бескорпусные   МСБ   (порядка   восьми   и   более   штук)   имеют   значительное количество сигнальных входов и выходов, а также шин питания и земли (порядка 24...30 с одной МСБ), что приводит к появлению в конструкции большого числа тонких (d=30...50 мкм)  золотых  проволочек  —  соединительных  проводников,  с  одной  стороны приваренных (припаянных) к внешним контактным площадкам МСБ, а с другой — к

«язычку»  металлизированных  отверстий  печатной  платы.  При  механических воздействиях, несмотря на небольшой прогиб этих проволочек (длина проволочки / <=

100  d  ),  возможны  отрывы  в  местах  приварки  (пайки),  т.е.  внезапные  отказы  в

соединениях и сбои во всей ячейке. Кроме того, увеличение интеграции микросборок, а

следовательно, и площади самих подложек при постоянстве их толщины, опять-таки создает опасность их растрескивания от ударов и вибраций. Чтобы выполнить требования

защиты конструкции от механических резонансов, усталостных напряжений, линейных перегрузок, в конструкциях ячеек IV поколения используют те же металлические рамки, но характерной чертой их профиля является наличие ребер жесткости и окон, а сами МСБ

и печатные платы клеят к этим рамкам антивибрационными компаундами типа КТ102 или

«Эластосил» для уменьшения коэффициентов динамичности рамок. Наконец, требование

уменьшения массы заставляет делать эти рамки более ажурными.

Таким образом, спецификой конструкции ФЯ IV поколения цифрового типа является

наличие   легких   и   прочных   металлических   рамок,   гарантирующих   достаточный

теплоотвод, вибро- и ударопрочность ячеек. Обычно вибро- и ударопрочность обеспечиваются   при   выполнении   допустимых   амплитуды   колебаний   элементов

конструкции не более 0,3 мм и виброскорости не более 800 мм/с. Диапазон же частот вибраций широк (от 30...50 Гц до 0,5...5 кГц) при возможных перегрузках до 30...40

единиц. Допустимая удельная мощность рассеяния в ФЯ может достигать величины 60

Вт/дм.

На рис.4.1 показана конструкция металлической рамки, а на рис. 4.2 представлена

схема установки и монтажа бескорпусных МСБ на ней.

Пример. Рассчитать геометрические размеры рамки, представленной на рис. 4.1. В

рамке на ее вертикально расположенных планках размещены восемь МСБ с размерами

24 х 30 х 0,5 мм.

Из  расчетов  вибропрочности  и  теплового  режима  ширина  Ai  боковых  ребер  и

верхнего ребра обычно составляет 3 мм, а ширина Д2 внутренних ребер и нижнего ребра

2 мм. Это отличие объясняется еще и тем, что боковые и верхние ребра должны иметь

бортик порядка 1...1,5 мм для приклейки печатной платы по периметру ребер снизу. Ширина планки Aq несколько меньше ширины МСБ и равна 21 мм. Ширина окон Аз в рамке (между ребрами и планками) выбирается из следующих размеров (см. рис. 4.2):

расстояния от ребра и планки до «язычка» и металлизированного отверстия (слева и справа) равны 2,5 мм, длина «язычка» (для подпайки или приварки проволочного вывода)

— 1 мм, диаметр окантовки металлизированного отверстия — 1,2 мм, итого ширина окна

А4 = 7,2 мм. Тогда ширина рамки

 

Для расчета длины рамки примем, что зазоры I1 между МСБ на планке и между ними и горизонтальными ребрами равны 1,5мм, ширина окна 1г для навесных электрорадиоэлементов и ширина зоны Iз для межьячеечного монтажа —по 10 мм, размеры ребер: I4 = 3 мм— верхнее ребро и 1:=2 мм — среднее и нижнее ребра, уже оговорены. Тогда длина рамки (при длине МСБ I=30 мм)

 

 
Высота рамки

 

где HМСБ  = 1 мм — высота МСБ; hnп  = 0,8 мм — толщина планки;   hпп

= =1,5 мм —

толщина печатной платы; hnп  = 0,2 мм — толщина клея;           hпп, = =2,5 мм — величина

суммарного воздушного зазора. Тогда hp = 1 + 0,8

+1,5+0,2+ 2,5 = 6 мм.

Конструкции цифровых блоков РЭС на бескорпусных микросборках

являются конструкциями с большой плотностью упаковки элементов в объеме. Эта величина является одним из главных критериев качества конструкции и может составлять десятки—сотни элементов в кубическом сантиметре для цифровых блоков и устройств. Объясняется это как применением бескорпусных БИС, СБИС, так и малыми значениями коэффициентов дезинтеграции объема.

 

РИС. 4.1. 'Металлическая рамка

 

 

Рис.4.2. Схема установки и монтажа бескорпусных МСБ на металлической рамке: 7 — ребро рамки; 2 — печатная плата; 3 — соединительный проводник; 4 — бескорпусная ИС; 5 — планка; 6 — подложка; 7 —металлизированное отверстие

 

Первой специфической особенностью разработки конструкций блоков РЭС на бескорпусных микросборках является новизна  создания микроэлектронных устройств высокой интеграции. Как правило, такие конструкции выполняют в виде моноблоков, реже — в виде субблоков в общей конструкции контейнеров.

Второй отличительной особенностью конструкций подобного вида является необходимость вакуумноплотной герметизации блоков, поскольку все активные и пассивные схемные элементы в бескорпусных микросборках не защищены от влияния факторов  внешней  среды,  таких  как  солнечная  радиация,  фоновые  излучения, теплоудары, влага, пониженное давление и др. Внутри вакуумноплотного герметичного корпуса  должны  существовать  инертная  среда  и  некоторое  избыточное  давление  в течение срока службы и хранения. По этой причине стенки корпуса не могут быть выбраны тонкими (0,8...! мм), как это характерно для РЭС III поколения, а чтобы обеспечить  требуемую  жесткость  при  перепадах  давления,  их  выполняют  из алюминиевых сплавов, например из литейного АЛ9 толщиной не менее 3 мм. Все это значительно снижает выигрыш по массе по сравнению с выигрышем по объему блоков, т.е. только в 34 раза по массе вместо 56 раз по объему.

Третьей особенностью подобных конструкций является проблема тепловых режимов блоков. Как уже отмечалось, при очень высокой плотности упаковки элементов в объеме в них создается значительная тепловая напряженность, способная привести к увеличению частоты отказов в аппарате. Все это требует увеличения эффективности способов теплопередачи конвекцией, лучеиспусканием и теплопроводностью. Если на уровне ФЯ в основном  теплопередача  определяется  теплопроводностью  и  с  этой  целью конструируются теплопередающие рамки, то для блоков, имеющих    собственные герметичные    корпуса,   основными   видами теплопередачи служат конвекция и лучеиспускание, а в условиях невесомости — только лучеиспускание. Поэтому здесь значительная  проработка  конструкции  должна  вестись  в  направлении  выбора оптимальной формы блока, для которой отношение поверхности теплоотдачи к объему было бы максимально возможным при сохранении и выполнении всех остальных требований    на    вибропрочность,    технологичность, электромагнитную совместимость и др., накладываемых техническим заданием на конструирование.

Четвертой особенностью разработки конструкций блоков IV поколения можно считать проблему выбора внутриблочных электрических соединений. Как правило, блоки на бескорпусных МСБ имеют книжную конструкцию, в которой не применяются разъемные соединители и проволочножгутовой или печатный монтаж на жестких основаниях. Для них наиболее характерным являются гибкие шлейфы, гибкие кабели, в том числе и радиочастотные миниатюрные типа РК50-0,б-25 с внешним диаметром 1,0 мм, а также гибкие матрицы-ремни. От выбора варианта внутриблочного монтажа зависит требуемый внутренний объем блока, надежность «переплета» книжной конструкции, способ закрепления гибких шлейфов и их монтажа (пайкой, сваркой, с накладками или без них и др.). Замена жесткой объединительной печатной платы на гибкую печатную плату и ее размещение, способы ее соединения с ячейками и межблочными разъемами являются также непростыми задачами конструирования.

Наконец, пятой особенностью разработки конструкций блоков IV поколения является выбор формы и метода изготовления корпуса блока. Отметим, что одна из стенок блока (лицевая панель), на которой устанавливаются выводные межблочные соединители, трубка-штенгель, заземляющий винт, должна иметь толщину не менее 5...6 мм, в то время как остальные — 3 мм. Сам корпус, в котором устанавливается пакет ячеек (обычно на шесть бобышек цилиндрической формы), должен представлять собой без верхней крышки короб прямоугольной формы. Материал корпуса, как и ФЯ, должен быть легким. Поэтому выбирают чаще всего алюминиевые сплавы, легко поддающиеся механической обработке и сварке. Кроме того, при применении паяного шва корпус должен иметь покрытие для пайки. С учетом перечисленных выше требований можно дать следующие рекомендации:

> лицевую панель следует изготавливать отдельно от корпуса и приваривать ее по шву в процессе сборки;

> из многих марок легких алюминиевых сплавов (Д16АМ, Д16АТ, В95, АМг, АМц, АЛ9,

АЛ2, АЛ11) наиболее подходящими для шовной сварки являются марки АМг, АМц, АЛ9;

> сделать корпус с толщиной стенок 3 мм из листового материала (АМг, АМц, Д16, В95)

методами штамповки-вытяжки при глубине вытяжки порядка 80 мм весьма затруднительно, так как это требует многократной вытяжки и пресса большой мощности, поэтому корпус рекомендуют изготавливать литьем в оболочковые формы из материалов АЛ2, АЛ9, АЛ11 (сплавы алюминиевые литейные ГОСТ 2685 — 63) с последующей фрезеровкой поверхности, требующей более высокой частоты обработки;

> места последующих паек (паяный шов, буртик в лицевой панели для пайки печатной вставки разъемов РПС или отверстий для высокочастотных разъемов СР50, земляного винта, трубки-штенгеля) рекомендуется покрывать Н5.М12.0-Ви9 (гальваническое покрытие «никель 5 мкм — медь 12 мкм — олово — висмут 9 мкм>>).

Наиболее характерными компоновочными схемами цифровых ФЯ на бескорпусных микросборках являются односторонняя и двухсторонняя на металлической рамке и двухсторонняя на П-образном металлическом основании, а для блоков — книжная компоновочная схема.

Конструкция односторонней ФЯ показана на рис. 4.3. Она выполнена на алюминиевой рамке,  показанной  на  рис.  4.1,  на  продольных  планках  которой  приклеены  клеем

«Эластосил 11-02» бескорпусные МСБ. С обратной стороны рамки приклеена односторонняя печатная плата из стеклотекстолита СФ — 1 — 35 — 1,0 клеем КВК— 68. Монтаж бескорпусных МСБ с печатной платой осуществляется проволочными проводниками из золота Зл999 диаметром 0,03 мм и длиной не более 3 мм. В верхней части ячейки расположено «окно» рамки для установки дискретных ЭРЭ, а в нижней части — зона выводных контактных площадок под гибкий шлейф или матрицу-ремень. В рамке имеется 4...6 сквозных отверстий для стяжных винтов МЗ для сборки ячеек в пакет. Длина винтов выбирается в зависимости от высоты пакета, т.е. числа собираемых ячеек. Если в рамке планки выполняются в едином технологическом процессе литья с последующей фрезеровкой, то рамка имеет защитное покрытие Ан-Окс.хр. (анодизационное оксидирование с хромотацией). Если планки припаивают к рамке, то применяют гальванопокрытие Н5.М12.0-Ви 9 или химическое покрытие 0-ВиЗ.

 

Рис. 4.3. Конструкция односторонней ФЯ на металлической рамке: 1 — рамка; 2 —

навесной ЭРЭ; 3 — планка; 4 — микросборка; 5 — печатная плата

 

Конструкция двухсторонней ФЯ на металлической рамке представлена на рис. 4.4. Ее отличие от рассмотренной ячейки состоит в том, что в ней отсутствует общая объединительная плата, а монтаж и крепление бескорпусных МСБ проводится с двух сторон на одну широкую продольную планку с минимальными зазорами между стыкуемыми МСБ. В верхней и нижней частях ячейки приклеивают печатные вставки с контактными площадками для выводов МСБ, их соединения между собой по схеме и соединения с гибкими шлейфами (в нижней вставке) Монтаж между нижней и верхней вставками проводят микропроволочными жгутами из провода ГФ — 100М по 10...16 проводов в каждом жгуте. Жгуты вяжут обычным ручным способом и укладывают в канавки между ребрами жесткости и дополнительными выступами на планке с левого и

правого краев рамки.

Крепление жгутов осуществляют клеем-мастикой ЛН. Применение таких конструкций рекомендуют для мелкосерийного производства, так как вязка жгутов плохо поддается автоматизации.

Конструкция двухсторонней ФЯ на металлическом  основании представлена на рис.

4.5.  Эта  конструкция  разработана  для  цифровых  РЭС  с  повышенной  плотностью упаковки, поэтому в ней имеется приваренный сверху ячейки воздуховод коробчатого типа с входным и выходным отверстиями для циркуляции воздуха-охладителя через все ячейки  в  пакете.  Металлическое  П-образное  основание  выполнено  из  алюминиевого сплава АМг5 методом штамповки — вырубки с последующей гибкой. Толщина листа

0,5...0,8  мм.  После  гибки  между  левой  и  правой  частями  П-образного  основания вставляют многослойную печатную плату из материала ФДМЭ (фольгированного диэлектрика из стеклоткани марки Э) или его заменителей толщиной 3...5 мм и приклеивают ее к основанию. Получается довольно жесткая конструкция, не требующая дополнительных ребер жесткости. На получаемые вырубкой в пластине планки клеют бескорпусные МСБ с двух сторон ячейки, а их монтаж с многослойной печатной платой ведут в «окнах». Для сборки ячеек в книжной конструкции используют шарнирные соединения, собираемые между собой заклепками. К достоинству конструкции относится технологичность изготовления основания ячейки.

 

Рис. 4.4. Конструкция двухсторонней ФЯ на металлической рамке:

1 — нижняя печатная вставка;  2 — микросборка; 3 — соединительный проводник;

 

 
4 — верхняя печатная вставка; 5 — рамка; 6 — планка; 7 — выступ; 8 — контактная площадка

 

Рис. 4.5. Конструкция двухсторонней ФЯ на металлическом П-образном основании: 7 —

микросборка; 2 — многослойная печатная плата; 3 — основание; 4 — окно для выводов:

5 — воздуховод; 6,7 — шарнирные соединения

Рис. 4.6. Конструкция блока книжной компоновки :

1 - печатная вставка;  2 - заливочный компаунд;  3 - разъем РПС1; 4 - штенгель-трубка;

5 - передняя стенка;  6 - винты крепления;  7 - матрица-ремень;  8 - стяжной винт; 9 -

крышка; 10 - титановая втулка; 11 - блок питания; 12 - функциональная ячейка;

13 — бобышка

 

Конструкция цифрового блока книжной компоновки представлена на рис. 4.6. Основными  сборочными  единицами  конструкции  являются  корпус  блока,  передняя панель с межблочными соединителями и трубкой-штенгелем, крышка, пакет ячеек, установленный на бобышках корпуса, матрица-ремень и децентрализованный блок питания.

Корпус блока выполнен из литейного алюминия АЛ9 с толщиной стенок 3 мм литьем в оболочковые формы с последующей механообработкой. Бобышки изготовляются при литье, их высота должна быть не менее 1,5—2 диаметров винта для стягивания ячеек в пакет. Для резьбового соединения винта с телом бобышки в нее запрессовывается титановая втулка с внутренней резьбой под винт. Пакет ФЯ на металлических рамках стягивается винтами, а электрические соединения ячеек с выходными межблочными разъемами типа РПС1 или РСГ осуществляются жгутовым проволочным монтажом, укрепленным в матрице-ремне. Матрица-ремень (рис. 4 7 а) представляет собой сформованную вулканизированную резину с отверстиями диаметром 1,5...2 мм и шагом между ними 2,5 или 5 мм. Через отверстия прошивают жгуты из 10... 16 проводников провода ГФ-ЮОМ. Ширина ремня определяется шириной зоны коммутации выходных контактных площадок ячейки, а его толщина равна 3...5 мм. Матрица-ремень крепится к внутренней стенке передней панели с помощью металлического уголка винтами, а к ячейкам — винтами в их торцах.

Для вакуумно-плотной герметизации с величиной истечения газа из внутреннего объема блока, равной 6,65.10-6  (дм3  Па)/с (5.10-5  дм3 мкм рт.ст./с), верхняя крышка блока запаивается по способу паяного шва, межблочные разъемы опаиваются и заливаются компаундом, а трубка-пггенгель после откачки воздуха и заполнения внутреннего объема инертным газом также запаивается. Паяный шов (рис. 4.8 а) выполняют следующим образом: в зазор между крышкой и стенками корпуса и передней панелью укладывают прокладку из нагревостойкой бессернистой резины марки ИРП, далее на нее кладут стальную проволоку диаметром 0,8  мм и  весь шов  запаивают по  периметру пропоем ПОС-61.

Конец проволоки выводят в канавку стенки рядом с зазором, оставляя его незапаянным. Это нужно для того, чтобы при ремонте блока можно было вырвать из паяного шва проволоку за этот конец и удалить крышку. Ширина зазора составляет 1,2 мм прокладки, а ширина и толщина прокладки — 1,4 мм. Прокладка центрирует крышку при пайке и не позволяет проникать вредным примесям припоя в флюса внутрь корпуса. При такой небольшой  величине зазора повторное выполнение паяного  шва после ремонта

возможно не более двух-трех раз, так как на стенках остаются наросты припоя, которые трудно удалять. Для пайки алюминиевых деталей необходимо их покрытие перед пайкой. Таким  покрытием  является  уже  упоминавшееся гальванопокрытие Н5.М12.0 — Ви9, которым покрывают места пайки на корпусе и передней стенке.

 

 

Рис. 4.7. Внутриблочные соединители а — матрица-ремень; б — гибкий шлейф;

в — гибкий кабель

 

 

а          б

 

Рис. 4.8. Герметизация блока IV поколения: а — паяным швом; б — заливкой и опайкой

 

Герметизацию межблочных соединителей (рис. 4.8 б) проводят следующим образом: разъем закрепляют на печатной вставке продеванием его выводов через металлизированные отверстия, затем их опаивают, далее вставку припаивают к стенке передней   панели   по   периметру   вставки,   на   краях   которой   оставлен   залуженный фольговый кант, после чего свободный объем в передней панели заливают компаундом, например, ЭЗК (эпоксидным заливочным компаундом). Трубку-штенгель запрессовывают в переднюю панель, опаивают по контуру цилиндра, затем откачивают воздух, проверяют на герметичность, накачивают сухой азот до избыточного давления 1,3 атм, обжимают, откусывают и запаивают. При такой конструкции трубки для двух, трех повторных ремонтов ее длина должна быть не менее 40 мм. Материал трубки — медь МТ, наружный диаметр — 3 мм.

Поскольку внутриблочные соединения в виде матрицы-ремня занимают до 15...20\% объема блока, в настоящее время их выполняют гибкими шлейфами в виде полосок из гибких фольгированных диэлектриков на основе лавсана (ФДЛ) или полиимида (ФДИ) толщиной 200...300 мкм с печатными прямолинейными проводниками и контактными площадками, а также гибкими кабелями (рис. 4.7 в). Это позволяет уменьшить объем, занимаемый  внутриблочными  соединениями,  в  два  раза  по  сравнению  с  матрицей- ремнем, однако жесткость «переплета» книги ухудшается.