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

Chipstrate во многом превосходят гибридные толстопленочные схемы, размер которых ограничен. Первые же могут по своим размерам приближаться к обычным печатным платам. Основные технические харак-

В конструкциях крупноформатных подложек принят шаг сетки, равный 0,63 мм и менее вместо 1,27 мм для обычных печатных плат, номинальный диаметр отверстий 0,3 мм вместо 0,8 мм, что позволило увеличить плотность межсоединений на 75%. В дальнейших разработках достигнута сверхвысокая плотность межсоединений еще и за счет устранения межслойных отверстий и замены их на сплошные стерженьки путем электролитического осаждения меди. Минимальный диаметр межсоединения при этом равен 0,13 мм. Наличие таких стержневых межсоединений (сплошных и в большом количестве) позволило обеспечить лучший теплоотвод, чем в случае металлизированных отверстий.

В других разработках крупноформатных подложек проблема термического согласования кристаллодержателей и подложки решена за счет применения корпусов кристаллодержателей, выполненных не из керамики, а из стеклоэпоксидных слоистых материалов с малым значением диэлектрической постоянной. Это обеспечивает не только термическое согласование, но и достаточно хорошее быстродействие за счет уменьшения паразитной емкости между выводами и низкую стоимость корпуса. Метод конструирования МЭА высокой интеграции на крупноформатных подложках осваивается и у нас, но не так широко как за рубежом из-за малого числа серий БИС в кристаллодеражателях и на лентах-носителях.

Конструктивы, выполненные на мини-МСБ, внешне мало отличаются от аналогов на микросборках, за исключением их малых масс и объемов и повышенных требований к устойчивой работе.

112

дый) и четвертый кристалл с тремя транзисторами и одним диодом. Кристаллы и ЛИС развариваются на трассировочной полиимидной плате, укрепленной на выводной рамке. В подобных конструкциях миниМСБ могут использоваться транзисторные, диодные матрицы, миниконденсаторы и пленочные резисторы, изготовленные с высокой разрешающей способностью. Причем перенос пассивных элементов с тонкопленочной подложки на кристалл и их изготовление по технологии, близкой к полупроводниковой, уменьшает как число самих кристаллов, так и число операций изготовления, что на 20...30% снижает стоимость изделий.

Для приближения конструкций аналоговых МЭА к идеальным конструктивам в аналоговых ФЯ на мини-МСБ необходимо:

применять мини-МСБ с ЛИС повышенной интеграции; компоновать мини-МСБ по принципу непрерывной микросхемы;

в качестве частотно-избирательных узлов применять приборы функциональной электроники (фильтры упругих волн и фильтры ПАВ);

общую трассировочную плату выполнять на-гибком печатном основании — полиимидной пленке, приклеенной непосредственно к дну корпуса-экрана;

113

корпус-экран выполнять из тонкостенных (не более 0,5 мм) металлов (алюминия с добавками лития, бериллия, реже латуни) или композиционных материалов (фольгированных стеклопластиков) для уменьшения доли несущих конструкций в общем балансе масс и объемов конструктива аналоговой МЭА. Подобные принципы построения ФЯ на мини-МСБ могут быть использованы и при разработке цифровой МЭА высокой интеграции.

Принцип конструирования устройств сверхвысокой интеграции (ИЦП) основан на использовании суперкомпонентов. С развитием микроэлектронной техники уровень интеграции и функциональная сложность ИС стремительно растут, в результате чего эти компоненты начинают выполнять функции блоков и даже подсистем, определяющих в целом функционирование всего устройства. Так появляются компоненты более высокого иерархического уровня, или суперкомпоненты. В связи с этим сам процесс конструирования современной и перспективной МЭА высокой интеграции уже не может рассматриваться как сочетание простых задач компоновки и монтажа компонентов, а должен рассматриваться как разработка самих суперкомпонентов, а в дальнейшем как компоновка и монтаж, причем более сложный, чем в конструкциях предыдущих поколений.

Примером такой разработки конструктива на суперкомпонентах может служить суперинтегральный кристалл фирмы Toshiba (Япония), содержащий микропроцессор Z80, программируемый периферийный интерфейс, программируемый блок ввода-вывода, счетчик (таймер) и логические схемы для тестовой проверки ИС (рис. 3.30). В этой разработке ускорение процесса проектирования мини-блоков достигнуто путем применения стандартных КМОП-кристаллов, которые используют как суперкомпоненты большой гибридной ИС. Для этого берут фотошаблоны уже готовых КМОП БИС и размещают их на одном кристалле, а затем соединяют их электрически между собой вторым слоем металлизации. Для такого суперкомпонента все межсоединения обычно находятся в самих стандартных КМОП БИС, поэтому во втором слое число межсоединений сравнительно невелико. Однако поскольку эти разработки технологически еще недостаточно отработаны, процент выхода годных низок, гибкость автоматизации невелика и стоимость высока. Несмотря на эти недостатки, такой конструктив позволяет сократить срок разработки с 12...16 месяцев для полузаказных ИС до 5...6 месяцев, т.е. более чем вдвое. То же самое происходит со стоимостью: микросборка, в которой применяется суперкристалл, стоит в два раза меньше, чем набор стандартных БИС и логических ИС контроля. Размеры же печатной схемной платы с таким набором при переводе ее на МСБ с суперкристаллом уменьшаются в 5...6 раз. Аналогичный пример можно

114

Рис. 3.30. Конструктив на суперкомпонентах: 1 — контактные площадки; 2 — логические ИС; 5 — УВВ; 4 — микропроцессор; 5 — буферные КМДП; б — счетчик; 7 — интерфейс

привести и для аналоговой МЭА высокой интеграции. Так, фирма Micro Linear Corp. США разработала и выпустила новую линейную матрицу FB300 [9], в которой схемные компоненты расположены в виде блоков («плиток»), соединяемых на завершающей стадии нанесения рисунка металлизацией.

4. МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ И ЗАЩИТА КОНСТРУКЦИЙ РЭС

4.1.Классификация механических воздействий

Впроцессе эксплуатации РЭС подвергаются механическим воздействиям. Характер и интенсивность воздействий зависят от вида источников воздействия и их расположения относительно конструкций РЭС. Наиболее часто источниками механических воздействий являются: окружающая среда, силовые установки объекта, электромеханические устройства с возвратно-поступательно движущимися массами или неуравновешенными вращающимися роторами и т.д.

115

Виброскорость и виброускорение находят в результате дифференцирования (4.1):

v (f) = z (t) = ωZ cos ω t;

a (t) =ż (t) = - ω 2 Z sin ω t.

.

Виброускорение при гармонической вибрации опережает по фазе виброперемещение на угол π, виброскорость на угол π/2.

Амплитуды виброперемещения Z, виброскорости ωZ, виброускоре-

ния ω2Z и угловая частота колебаний являются основными характеристиками гармонической вибрации. Однако кроме них гармоническую вибрацию можно характеризовать вибрационной перегрузкой

Если в (4.2) амплитуда виброперемещения выражена в мм, а ускорение силы тяжести в мм/с2 , то соотношение для вибрационной перегрузки можно записать в виде

nB = Zf2/250,

гдеf— круговая частота вибраций.

Полигармоническая, или сложная периодическая, вибрация может быть представлена в виде суммы гармонических составляющих.

Для случайной вибрации характерно то, что ее параметры (амплитуда виброперемещения, частота и др.) изменяются во времени случайно. Она может быть стационарной и нестационарной. В случае стационарной случайной вибрации математическое ожидание виброперемещения равно нулю, математические ожидания виброскорости и виброускорения постоянны. В случае нестационарных вибраций статистические характеристики не постоянны.

Кроме вибрации, аппаратура может подвергаться ударным воздействиям, возникающим при эксплуатации, транспортировке, монтаже и т.д. При ударе элементы конструкции испытывают нагрузки в течение малого промежутка времени τ, ускорения достигают больших значений и могут привести к повреждениям элементов. Интенсивность ударного воздействия зависит от формы, амплитуды и длительности ударного импульса.

Форма ударного импульса определяется зависимостью ударного ускорения a(t) от времени (рис. 4.1). При анализе ударных воздействий реальную форму ударного импульса заменяют более простой, например прямоугольной, треугольной, полусинусоидальной.

117

Рис. 4.1. Ударный импульс: а — форма реального ударного импульса; б — эквивалентные формы

За амплитуду ударного импульса принимают максимальное ускорение при ударе.

Длительностью удара т называют интервал времени, в течение которого действует ударный импульс.

Последствием удара являются возникающие в элементах конструкции затухающие колебания. Поэтому на практике возникает необходимость в защите конструкций РЭС одновременно от ударов и вибраций. Правомерность такой постановки вопроса обусловлена и тем, что в реальных условиях эксплуатации конструкции могут подвергаться комплексным механическим воздействиям, что должно найти отражение при конструировании средств защиты. Приближенные значения отдельных видов механических воздействий на РЭС, эксплуатируемых на подвижных объектах, приведены в табл. 4.1.

В результате механических воздействий в элементах конструкций РЭС могут происходить обратимые и необратимые изменения.

Обратимые изменения характерны для электрорадиоэлементов и приводят к нарушению устойчивости и ухудшению качества функционирования аппаратуры. В зависимости от физики протекающих в конструкции процессов факторы, вызывающие обратимые изменения, можно объединить в следующие группы:

деформации в активных и пассивных элементах, приводящие к изменению их параметров (конденсаторы, катушки индуктивности, пьезоэлектрические кварцевые резонаторы, электровакуумные приборы и др.);

нарушение электрических контактов в разъемах и неразъемных соединениях, вызывающее изменение омического сопротивления контактов;

изменение параметров электрических, магнитных и электромагнитных полей, которое может привести к нарушению условий электромагнитной совместимости в конструкции.

Таблица 4.1

швов, в которых имеют место остаточные термические напряжения, обрывы объемных проводников, соединяющих радиоэлементы, если при выполнении монтажа проводники получили излишнее натяжение.

К необратимым изменениям, происходящим в конструктивных элементах РЭС при механических воздействиях, относятся усталостные

119

разрушения. Усталостью называется процесс постепенного накопления повреждений в материале детали под действием переменных напряжений. Механизм этого процесса связан со структурной неоднородностью материала (отдельные зерна неодинаковы по форме и размерам, поразному ориентированы в пространстве, имеют включения, структурные дефекты). В результате этой неоднородности в отдельных неблагоприятно ориентированных зернах (кристаллитах) при переменных напряжениях возникают сдвиги, границы которых со временем расширяются, переходят на другие зерна и, охватывая все более широкую область, развиваются в усталостную трещину. Усталостная прочность материалов зависит от величины и характера изменения напряжений, от

но ГОСТ 16962-71 под прочностью (вибро- и ударопрочностью) к воздействию механических факторов подразумевается способность конст-

Под устойчивостью (вибро- и удароустойчивостью) к воздействию механических факторов понимают способность конструкции выполнять заданные функции и сохранять свои параметры в пределах норм, установленных стандартами, во время воздействия механических факторов.

4.2. Моделирование механических воздействий на конструкции РЭС

Конструкция РЭС представляет собой сложную механическую систему, состоящую из бесконечно большого числа материальных точек. Поэтому при исследовании динамических процессов, возникающих в конструкциях в условиях механических воздействий, неизбежен переход от реальных систем к упрощенным абстрактным моделям на основе приближений и допущений. При этом должны учитываться следующие факторы:

распределение инерционных и упругих характеристик системы и число ее степеней свободы;

зависимость упругих восстанавливающих сил от деформаций; характер сил неупругого сопротивления.

Из механики известно, что число степеней свободы механической системы равно числу независимых обобщенных координат, определяющих положение всех материальных точек системы в пространстве в

120

произвольный момент времени. Поскольку связи между материальными точками конструкции не абсолютно жесткие, то число степеней свободы конструкции как сложной системы является бесконечно большим. При решении практических задач анализа динамических процессов в конструкциях РЭС реальная механическая система заменяется моделью с ограниченным числом степеней свободы, которое определяется структурой конструкции и требуемой точностью результатов.

Применяются два основных вида моделей механических систем:

с сосредоточенными массами и связями (упругими и демпфирующими) и с распределенными параметрами.

Так, например, конструкция, совершающая под действием внешней силы колебания вдоль одной координаты, может быть представлена расчетной моделью с одной степенью свободы и сосредоточенными параметрами: массой т, упругой связью с коэффициентом жесткости k и демпфирующей связью с коэффициентом вязкого сопротивления (3 (рис. 4.2). В то же время, если сосредоточенная масса совершает сложные пространственные колебания, то такую конструкцию обычно представляют расчетной моделью с п степенями свободы (рис. 4.3).

Расчетные модели с распределенными параметрами используются при исследовании динамических процессов в отдельных элементах конструкции типа балок, стержней и др.

Динамические свойства любой механической системы существенно зависят от характера восстанавливающих и диссипативных сил. В конструкциях РЭС восстанавливающими являются силы упругости, возникающие при деформации элементов. В общем случае зависимость вос-

121

станавливающих сил от смещений нелинейна. Однако при малых деформациях характеристики упругих связей подчиняются закону Гука и зависимость между восстанавливающими силами и смещениями в расчетных моделях систем принимается линейной.

Диссипативные силы (силы неупругого сопротивления) вызывают необратимое рассеяние энергии механических колебаний. К ним относятся силы трения в сочленениях элементов конструкции, силы «внутреннего трения» в материалах, силы аэроили гидродинамического сопротивления окружающей среды. Действие диссипативных сил приводит к затуханию свободных и ограничению вынужденных колебаний. При построении расчетных моделей механических систем обычно принимают допущение о пропорциональности диссипативных сил перемещению или скорости перемещения (линейная модель).

Проведем анализ динамических процессов в конструкциях РЭС, представленных абстрактными моделями, в условиях воздействий вибраций и ударов.

4.2.1. Вибрационные воздействия на систему с одной степенью свободы

Модель системы с силовым возбуждением приведена на рис. 4.2. Возбуждающая гармоническая сила Р = РQsinωt приложена к массе и

вызывает ее перемещение. Кроме возбуждающей, в системе действуют сила инерции Ри = т ż, сила упругости пружины Ру =kz , диссипативная сила (сила демпфирования) Р д = β ż. Согласно принципу Даламбера, в любой момент времени все силы, действующие на систему, находятся в равновесии. Поэтому движение массы относительно положения статического равновесия можно представить дифференциальным уравнением

В результате деления правой и левой частей (4.3) на m уравнение

частота свободных колебаний; zCT = P0/k — статический прогиб упругого элемента системы под действием силы Р 0.

Уравнение (4.4) имеет два решения: для свободных и для вынужденных колебаний.

122

I