Основы проектирования электронных средств Материалы к Экз ОПЭС-2014 РК-01-02 / Назаров_Конструирование_РЭС

3.Для каждой i-й панели определяют число микросхем (МСБ) цифрового (р), аналогового (s) и силового (t) типов, а также массу навесных РЭС; заполняют графы табл. 3.5.

4.Рассчитывают активные (полезные) массы микросхем (МСБ) и ЭРЭ, входящих в каждую i-ю панель:

тNi =рт1 +sm2+tm3+m ЭРЭ

5. Находят массу i-й панели с учетом коэффициента дезинтеграции массы от уровня микросхем (МСБ) к панели:

mпi=qm[МСБ-п]mNi

где qm[МСБ-п] = qm[КТЕ-ФЯ] по табл 1,1[10]

6. Определяют массу пакета панелей

k

mпак = åmПi i =1

7. Рассчитывают массу моноблока микроэлектронных устройств с учетом дезинтеграции массы при корпусировании в контейнер:

mΣ=qm[П-К]mпак

8. Определяют массы специфичных конструкций т сп и кабельной

сети mкаб

9. Находят суммарную массу комплекса РЭС по формуле, приведенной в п. 9 предыдущего порядка расчета.

Пример 3.6. Комплекс РЭС бортового типа содержит: специфичное устройство (зеркальную антенну с приводом) массой т сп = 1357 г, кабельную сеть массой m каб = 150 г, микроэлектронное устройство приема и обработки сигналов, сложность которого определяется 288 цифровыми и 60 аналоговыми интегральными схемами. Блок питания конструктивно выполнен отдельно и имеет массу 150 г. По ТЗ на разработку mрэс≤ 5кг. В ТЗ на конструирование необходимо указать рекомендуемый метод конструирования микроэлектронного устройства, его частей и их общую компоновку.

В качестве I варианта выберем метод конструирования на печатных платах с корпусированными ИС. Из цифровых ИС выбираем серию К561 в корпусе 401.14-2 с массой m t = 1 г. В одной двухсторонней цифровой ячейке содержится р =36 микросхем, а всего ФЯ r = 8. В ней имеется также по четыре резистора С2-23-0.125 с общей массой 0,6 г и по три конденсатора К53-28 с общей массой 6,4 г, или масса ЭРЭ в цифровой ячейке m '1= 7 г. Из аналоговых ИС выбрана серия К175 в корпу-

102

се 401.14-3 с массой т 2= 0,9 г. В одной ФЯ пенального типа размещены

s = 6 микросхем, а всего аналоговых ФЯ n =10. Каждая микросхема имеет обрамление [9] из трех резисторов С2-23-ОД25 с общей массой 0,6 г, четырех конденсаторов (типы К53-28 и КШ-17 с проволочными выводами) с общей массой 6,4 г и одной тороидальной катушки с массой 3 г. В итоге суммарная масса ЭРЭ в ячейке m '2 = 6 • 10 = 60 г. Полученные данные сведем в таблицу по форме табл. 3.5:

Из табл. 1.1 определим для выбранных компоновок ячеек и блока коэффициенты дезинтеграции:

qm[КТЕ-ФЯ] =3.2; qm[КТЕ-ФЯ]2=6.6; qm[КТЕ-ФЯ]3=1.3

Рассчитаем активные массы ячеек: m N1 =36•14+7 = 43 г, mN2 =

= 6 • 0,9+60 = 65,4 г. Определим массу пакета цифровых ячеек т пак = 3,2 • 43

• 8 = 1100,8= 1,1 кг, далее массу пакета аналоговых ячеек

т пак = 6,6 • 65,4 • 10 = 4316= 4,32 кг. Эти два пакета по функциональному назначению удобнее компоновать в виде двух отдельных блоков,

массы которых соответственно будут m б1 = 1,3 • 1,1 = 1,43 кг и т Б =

= 1,3 • 4,32 = 5,6 кг. Эти два блока вместе с автономным блоком питания могут быть скомпонованы в общей ферме, при этом коэффициент дезинтеграции от блоков к комплексу qm[б-1] =1,2. Тогда масса микро электронного устройства и блока питания вместе с рамой-фермой составит m Σ= 1,2(1,43+5,6+ 0,15) = 8,6 кг, а масса комплекса mрэс=8,6+1,35+

0,15= 10,1 кг > 5 кг по ТЗ.

Рассмотрим II вариант — метод конструирования на металлических рамках с бескорпусными МСБ. Для цифровых ячеек примем одностороннюю компоновку с восьмью МСБ размерами 24x30 в каждой (р = 8).Каждая МСБ содержит по 12 бескорпусных ИС. Тогда общее число цифровых ячеек r = 3. Масса одной МСБ указанного размера из ситалловой подложки m1 = 1,1 г. Общая масса ЭРЭ в цифровой ячейке складывается из тех же элементов, что и ранее, и составляет т’1 = 7 г. В

103

Из табл. 1.1 определим для выбранных компоновок ячеек и блока

qm[КТЕ-ФЯ] =7.7; qm[КТЕ-ФЯ]2=11.5; qm[КТЕ-ФЯ]3=3

Найдем активные массы ячеек: тN1 =8•1,1 + 7 = 15,8 г; mN2 = 5•1,7+6=14,5г.

Определим далее массу пакета ячеек, собранных совместно: mпак=7,7•15,8•3+11,5•14,5•4=1032≈1,03кг. Блок питания может быть собран на силовых МСБ и помещен в общий герметичный моноблок. При этом масса блока питания может быть уменьшена до 50 г.Тогда общая масса микроэлектронного моноблока составит т б =

= 3 • (1,03 +0,05) = 3,24 кг, a mРЭС=3,24+ 1,35+ 0,15= 4,74 < 5 кг по ТЗ.

Таким образом, для выполнения требования ТЗ по массе необходимо в ТЗК рекомендовать построение микроэлектронной части комплекса в виде моноблока на металлических рамках с бескорпусными микросборками. Поскольку запас по массе практически отсутствует, лучше применять двухстороннюю компоновку цифровых ячеек (см.

табл. 1.1).

3.9. Распределение ресурса масс и объемов в конструкциях РЭС

Будем рассматривать конструкцию как совокупность различных по своему назначению элементов и компонентов, объединенных общими связями. Эти элементы и компоненты подразделяются на три основные группы, а именно: полезные (схемные) элементы — группа N, несущие конструкции — группа Н, монтаж — группа М. В соответствие с этим делением массу и объем любого конструктива РЭС можно записать как суммы этих величин составляющих групп:

104

m=mN+mH+mM, V=NN+VH+VM+VВ

где V ъ — объем незаполненных элементами и компонентами конструк-

ции воздушных промежутков. Из приведенных выше выражений, используя общее выражение для удельной массы (m ' = m/V), можно получить уравнение, отражающее распределение ресурса масс и объемов в конструктиве любого уровня:

m'= m'N VN + m'H VH + m'M VM V V V

где т’N m'H , m'M,-удельные массы соответствующих групп элементов и компонентов, как правило, отражающие плотности материа-лов, из

которых они выполнены.

Само по себе определение удельной массы конструктива, например блока или ячейки, не представляет особого интереса для сравнения качества конструкции, так как с ростом интеграции ИС доля полезных элементов в общей массе конструкции уменьшается, а доля несущих конструкций и монтажа при существующих методах их изготовления увеличивается. Иными словами, увеличение плотности конструкции достигается не ее компактной компоновкой, а «утяжелением» за счет несущих и монтажных конструкций в общей массе. Это положение подтверждается усредненными результатами проведенного анализа [10] по распределению масс и объемов в современных наиболее компактных конструкциях ячеек и блоков РЭС (табл. 3.6).

Используя данные табл. 3.6 и уравнение распределения ресурса масс и объемов, можно на этапах разработки конструкции более правильно путем расчетов выбрать вид материала несущей конструкции, вид монтажа и компоновочной схемы и др. Покажем это на примерах

Пример 3.7. В цифровой ФЯ на металлической рамке содержится 8 МСБ по 12 ИС в каждой. Требуется выбрать материал рамки. Мощность потребления каждой ИС равна 40 мВт, а мощность рассеяния 32 мВт. Тогда ячейка рассеивает мощность 3,07 Вт. Допустимая мощность рассеяния для ячейки равна 60 Вт/ дм3' Тогда объем ее должен быть не ме-

нее V≥ 3,07/60 = 0,051 дм3 = 51 см3. Масса ячейки по ТЗК не должна превышать 75 г, откуда удельная масса т ' ≤ 75/51 = 1,47 г/см3 . Уточним исходные данные: для ситалловых подложек МСБ рс т = 2,6 г/см3 = т 'N , плотность стеклотекстолита р сф= 2,47 г/см3 =m’M , из табл. 3.8 имеем 0,18,

VN/V=0.18, VH/V=0,24A и VM/V=0,04.Подставляя эти данные в уравнение ресурса масс, получаем, что

m'H £ 1.47 - 2.6 ×0.18 - 2.47 × 0.04 = 3.76г / см3 0.24

105

3.10. Перспективные направления конструирования РЭС

Современный этап развития РЭС характеризуется новыми тенденциями как в радиоэлектронике и вычислительной технике (освоение миллиметрового диапазона волн и компьютеризация), так и в области элементной базы РЭС (появление БИС, СБИС, ССИС, функциональных компонентов). Эти факторы вызывают необходимость в разработке новых принципов и методов конструирования РЭС высокой интеграции, или РЭС V поколения. К таким перспективным направлениям конструирования, частично или уже полностью освоенным за рубежом, можно отнести технику поверхностного монтажа компонентов, методы конструирования на мини-МСБ и интеграции на целой пластине

(ИЦП).

Технику монтажа электронных компонентов на плоскую поверхность считают четвертой революцией в электронике (после появления лампы, транзистора и интегральной схемы). Этот метод стал известен с начала 60-х годов в Японии и США, а с начала 70-х годов в Японии был применен для автоматизированного изготовления толстопленочных гибридных ИС. В основу техники поверхностного монтажа положено применение новых миниатюрных корпусов ИС и микрокомпонентов, печатных плат с высокой разрешающей способностью и новой технологии сборки, пайки и контроля. Достоинствами метода являются уменьшение размеров печатных плат на 70% и уменьшение длины сигнальных проводников, что увеличивает быстродействие и помехозащищенность; рост процента выхода годных за счет простоты ремонта и замены неправильно ориентированных компонентов; применение автоматизированных технологий; повышение надежности и снижение стоимости.

Вместе с тем внедрение этой техники сдерживается рядом факторов, таких как большая стоимость автоматизированного оборудования (полностью укомплектованная линия по сборке, пайке, испытаниям и ремонту оценивается в несколько сотен тысяч долларов), трудности совмещения компонентов с посадочными местами и контроля после пайки из-за весьма малых габаритов и шага координатной сетки.

Дадим вначале некоторый краткий обзор [4] элементной базы РЭС для техники поверхностного монтажа. Как известно, основу элементной базы микроэлектронной аппаратуры всегда составляли интегральные схемы. В настоящее время за рубежом разработаны микрокорпуса для ИС широкого применения типа SO (small outline), имеющие число выводов от 4 до 28 типа «крыло чайки» или/-образные (рис. 3.27). Фирма Philips выпускает корпуса SO с 40 и 56 выводами с шагом 0,762 мм при габаритах корпуса 15,5x7,6x2,7 мм, которые по сравнению с отечественным корпусом типа 4104.14-2 имеют в четыре раза больше выводов при тех же

107

Рис. 3.27. Варианты установки корпусированных ИС и навесных ЭРЭ напечатныеплаты:

а — по традиционной технологии; б — по технологии поверхностного монтажа; 1 — ИС с J-образными выводами; 2 — ИС с выводами типа «крыло чайки»;

3 — микрокомпонент с торцевыми залуженными выводами

габаритах. В табл. 3.7 даны сравнительные характеристики корпусов SO и DEP (аналога отечественного корпуса второго типа 2102).

Выпускаются также кристаллодержатели с /-образными выводами или безвыводные кристаллодержатели, в которых выводы армированы в теле корпуса или выполнены в виде залуженных пазов по четырем сторонам корпуса с внешней стороны. Кристаллодержатель с /-образ- ными выводами, выполненный в пластмассовом квадратном (или керамическом) корпусе при 44 выводах и шаге 1,27 мм-имеет габариты 17,5x17,5x3,5 мм, а безвыводный Кристаллодержатель с 84 выводами и при шаге 1,27 мм имеет сторону квадрата 29 мм и высоту корпуса 2 мм. Это в шесть раз меньше по площади и в десять раз меньше по массе, чем корпус типа DIP. Еще более впечатляет корпус фирмы Exacta, имеющий сравнительно миниатюрные размеры (27x27 мм) при огромном числе выводов (320) и шаге всего лишь 0,3 мм.

Отечественной промышленностью также выпускаются микрокорпуса (рис. 3.28) типа Н, например корпус Н 104.16 с размерами 7,5x7,5 мм при числе выводов 16 (УФ 0.481.005 ТУ). По ОСТ 11.073.924-81

разработаны микрокорпуса, характеристики которых представлены в табл. 3.8.

Шаг между залуженными пазами выводов равен 1 мм, высота выводов 0,4 мм, ширина 0,5 мм.

Вполне очевидно, что при таких малых значениях шага между выводами (до 0,3 мм) и большом их количестве (свыше 84) применение обычных методов установки и пайки на печатных платах просто невозможно. Поэтому для микрокорпусов предусмотрена автоматизирован

-

108

Рис. 3.28. Микрокорпуса: а — Н02.16-1В, б — Н04.16-1В, в — Н06.242В,г _ Н14.42-2В, д — Н16.48, Н18.64 и Н20.84

ная установка на посадочные площади с высокой точностью. Среди рекомендуемых методов пайки наиболее приемлемым считается метод расплавленного дозированного припоя (РДП). Плата с приклеенными компонентами помещается в рабочую зону контейнера и предварительно нагревается, затем при подаче насыщенного пара фторосодержащей жидкости плата нагревается до 215°С, пар конденсируется на ее поверхности, отдает тепло, припой расплавляется и образует паяное соединение. За один цикл можно припаять одновременно до тысячи и более ИС на платах, причем качество пайки будет намного выше качества ручной пайки. Другой, менее распространенный, метод расплавленного

109

дозированного припоя излучением (РДПИ) осуществляется с помощью ламп с вольфрамовой нитью накала (λ, = 1,2 — 2,5 мм) в инертной среде во избежание окисления.

Наряду с микрокорпусами ИС применяют микрокомпоненты, такие как непроволочные резисторы с торцевыми площадками для пайки (размеры резисторов 2,06x1,35x0,38 мм); проволочные трехваттные резисторы с j-образными выводами (размеры 21x8,4x6,5 мм); переменные резисторы массой всего лишь 0,14 г и размерами 5,2x5,2x2,15 мм; монолитные керамические конденсаторы (аналоги отечественных типов К10-9 и К10-17); многослойные катушки индуктивности из чередующихся слоев магнита и электропроводящих паст с L = 0,05...220 мкГ и Q = 25...45; а также сверхминиатюрные соединители, трансформаторы, четырехзнаковые индикаторы, линии задержки, переключатели и т.д.

Рассмотрим далее, какие же коммутационные платы применимы для поверхностного монтажа и в чем их новизна. К таким платам предъявляются следующие требования: повышенная плотность монтажа (до 8 эл/см2 ), минимальная длина межсоединений, отсутствие навесных перемычек, высокая разрешающая способность печати (не хуже 0,2 мм), более интенсивный теплоотвод, автоматизация сборки, монтажа и контроля.

Из применяемых материалов для таких плат используют стеклоэпоксидные, бумажноэпоксидные и бумажнофенольные слоистые материалы. Среди первых наиболее распространены сочетания «эпоксид-

ная смола-стекловолокно»(ε=4,5...5;ТКР=(14...18)•10-6К-1 λ, = 0,16 Вт/(м • К) и «эпоксидная смола—кварц» (ε = 3,6; ТКР == 5 • 10-6 К-1 ; λ, = 0,17 Вт/(м • К). Они обычно применяются как для бытовой техники, так и для микроэлектронных устройств повышенной мощности.

Ко второй и третьей группам материалов относят термопластики (полису льфон, полиэфиримид ε = 3; ТКР=20•10 -6 К-1 ; λ = 0,16 Вт/(м • К) и материалы на основе полиимида со стекловолокном ε = 3,5; ТКР= = (15 ... 18) 10-6 К-1 ; λ, = 0,38 Вт/(м • К). Термопластики чаще применяют как прозрачные платы для дисплеев, устройств цветного кодирования, а материалы на основе полиимида — для цифровых устройств с повышенной плотностью монтажа и высоким быстродействием.

Получение рисунка печатных проводников на полиимидных пленках может быть выполнено с шириной проводника 25 мкм и расстоянием между ними 75 мкм полуаддитивным фотографическим методом Photoforming. Другой, не менее интересный, метод называется лазерным экспонированием. В этом случае при нагреве лучом органические смо-

110

лы с диспергированными частицами меди размягчаются, частицы сплавляются и образуют проводник шириной 120...140 мм. Третий метод, который разработан и в отечественной промышленности, состоит в

изготовлении «рельефных плат» («рельефное тиснение»). Рисунок коммутации наносят через трафарет на проявляющую бумагу и покрывают сверху адгезивом, потом бумагу переворачивают, накладывают на плату и проводят горячую штамповку.

Разновидностью конструктивов с микрокорпусами ИС и микроэлементами являются крупноформатные подложки (КФП), или гигантские микросборки. Их особенность заключается в том, что вместо печатных плат в качестве несущих оснований в них применяют металлические основания (стальные либо алюминиевые размером до 300x400 мм и толщиной 0,5 ...1 мм), на которые в первом случае вжигают

многослойную (порядка шести слоев) толстопленочную керамику, а во втором случае

наклеивают трассировочную полиимидную пленку (при этом кроме микрокорпусов могут использоваться и бескорпусные БИС на лентеносителе). Плата также может быть выполнена целиком из керамики А12О3 , но при этом меньших размеров (140x120 мм, толщиной 5 мм и

массой порядка 350 г). Применение металлических оснований позволяет обеспечить требуемые вибро- и ударопрочность, теплоотвод и осуществить общую земляную шину.

Однако при разработке КФП встречаются следующие трудности конструкторскотехнологического характера, а именно:

необходимость совместимости материалов держателей ИС и подложки по коэффициенту температурного расширения;

необходимость согласования плотности межсоединений, в частности контактных площадок с плотностью расположения площадок вво- да-вывода на кристаллодержателях и лентах-носителях (шагом их выводов);

требование надежного теплоотвода от кристаллодержателей и лент-носителей с большим числом активных компонентов (элементов).

В качестве примера решения этих задач и обеспечения высоких технических показателей можно привести конструкцию КФП фирмы Exacta (Шотландия), получившую название Chipstrate [9]. Основной несущей конструкцией этих КФП является пластина, выполненная из алюминия. На ней крепится шестислойная с эластомером подложка толщиной 0,25 мм с шириной проводников 0,1 мм, на которой монтируются БИС в кристаллодержателях или на лентахносителях. Амортизирующее свойство верхнего слоя (эластомера) сводит к минимуму риск повреждения паяных соединений, которые могут возникнуть из-за различных КТР материалов подложки и кристаллодержателей. Платы